Ученые предложили бюджетный способ изготовления высокоточных антенн связи

Особенность производства антенн состоит в том, что по ним должен течь электрический ток. Для этого требуется использование специальных 3D-принтеров, печатающих металлом, но они дороги и сложны в обслуживании. Ближайший аналог — фотополимерные и FDM-принтеры, печатающие пластиком. Стоимость такого производства ниже на несколько порядков, однако структуры, созданные по такой технологии, не проводят электрический ток. И ученые МФТИ нашли оптимальное решение этого вопроса, взяв за основу лучшие качества обеих технологий.

Важность разработки заключается в возможности обеспечении качественной и однородной  связи для бесперебойной работы сложного промышленного и логистического оборудования. Во избежание образования мертвых зон необходимо устанавливать несколько Wi-Fi-роутеров либо создавать специализированные под конкретную задачу антенны, производство которых осложняется их нетривиальной конфигурацией. Возникает вопрос: из чего сделать такие антенны? Недорогие пластмассовые модели совместимы с различными сплавами, и их использование несет большой потенциал. В свою очередь, металлы с высокой проводимостью позволяют достичь превосходных электромагнитных характеристик — обычно для диапазона частот 1-10 ГГц достаточно нескольких микрон меди. Таким образом, с помощью тончайшего металлического слоя на пластмассовой конструкции можно получить высокоточную антенну, себестоимость которой намного ниже стандартной 3D-печати на металле.

Бюджетный метод изготовления сложных антенн с помощью FDM-печати, который предлагают исследователи из МФТИ, состоит из пяти этапов: печать заготовки с помощью проводящего полимера, обработка поверхности для улучшения гладкости, размещение вспомогательных электродов на заготовке, гальваническое покрытие и удаление заготовки. Температура плавления типичных полимеров, используемых в FDM-печати, составляет около 180-230ºC, и электрохимически осажденный металл выдерживает эти температуры.

Эксперименты показали, что на частотах выше 5 ГГц негативное влияние пластика на излучательную характеристику антенн существенно повышается. Преимущество удаления пластиковой подложки было проанализировано численно и экспериментально и показало, что металлические антенны без подложки, изготовленные с помощью нового процесса печати, превосходят стандартные реализации, которые также страдают от потерь на высоких частотах, если используются пластиковые подложки. Таким образом, новый способ создания антенн сможет обеспечить качественной связью 5G и 6G.

«При создании высокоточной антенны первичным является заказ — именно массово-габаритные характеристики помещения закладываются в алгоритм численного моделирования, с помощью которого рассчитывается форма устройства. Обычно это довольно причудливая форма, которую трудно создать руками, но вполне возможно с помощью 3D-принтера. Также добиться четкого сигнала возможно с помощью фазированных антенных решеток — массива из одинаковых антенн, на которые подается необходимая электронная фаза и из этого определяется диаграмма направленности. Используя наш подход, можно убрать некоторые элементы управления — путем заданного алгоритма рассчитать нужную форму, которая сразу обеспечит необходимую направленность под целевые функции. Хотя наш новый метод не может полноценно конкурировать по производительности с прямой металлической печатью, он может обеспечить производство надежных конструкций при чрезвычайно низкой стоимости», — рассказывает руководитель лаборатории радиофотоники центра фотоники и двумерных материалов, доцент, заместитель заведующего кафедрой радиотехники и систем управления МФТИ Дмитрий Филонов.

Дальнейшее развитие этой технологии может позволить создавать более сложные формы и раскрыть их преимущества в электромагнитных приложениях. Кроме того, предпринимается немало усилий по 3D-печати электронных схем — как активных компонентов (контролирующих поток электричества), так и пассивных (не требующих внешнего источника питания). При усовершенствовании разработки станет возможным послойное наращивание антенны вместе с настраиваемой электроникой. Общая стоимость производства в этом случае может значительно снизиться.

Работа опубликована в научном журнале Scientific Reports, на изобретение получен патент. 

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!