Представьте себе, что вы взяли радиочастотные свойства антенн-тарелок, которые вы видите на крышах, и связали из них предмет одежды, который можно носить — свитер или одеяло, которые будут сверхлегкими, портативными, их легко складывать и убирать.
Отсутствие необходимости использовать тяжелые, громоздкие спутниковые антенны значительно облегчит связь для тех, кто живет или путешествует в отдаленных районах. Легкая, гибкая антенна, способная передавать информацию на большие расстояния, станет полезным инструментом как для государственного, так и для частного сектора.
Команда инженеров Колумбийского университета сообщает, что они использовали свой опыт в области метаповерхностей — сверхтонких оптических компонентов, которые могут контролировать распространение света, — и недорогую, высокомасштабируемую плосковязальную платформу для создания антенн радиочастотной (РЧ) связи, которые легко переносить и развертывать.
Исследование, проведенное под руководством доцента кафедры прикладной физики и прикладной математики Наньфана Юя, было опубликовано в журнале Advanced Materials.
Почему вязание?
Большинство антенн RF, особенно антенны с высокой направленностью, такие как отражательные решетки, являются плоскими, жесткими устройствами. Хотя эти устройства, скорее всего, всегда будут оставаться передовыми с точки зрения чистых показателей производительности, они часто большие, тяжелые и громоздкие и могут быть дорогими в производстве.
Исследователи изучают способы производства более мелких и гибких антенн, включая струйную печать или трафаретную печать непосредственно на текстиле, а также вышивку. Но эти методы являются квазиаддитивными подходами, в которых проводящий материал добавляется к существующему текстилю вместо того, чтобы интегрироваться в него в процессе изготовления самого текстиля, что приводит к таким проблемам, как расслоение, скольжение или растрескивание металлической области, а также к проблемам масштабируемости производства.
Группа Ю поняла, что им нужно создать высокопроизводительную и недорогую технологию, которая напрямую интегрирует плоские антенные решетки в текстильные изделия. Поэтому они решили изучить вязание и ткачество, которые, хотя и являются наиболее распространенными подходами для изготовления узорчатых текстильных изделий, не были исследованы как способ производства сложных антенных решеток с инженерными электромагнитными откликами.
Подход Fair Isle
Исследователи применили новый подход к изготовлению гибких, легких метаповерхностей с длиной волны сантиметра. Они использовали старую технику цветного вязания, называемую плавающим жаккардовым вязанием (вспомните свитера Fair Isle), и использовали коммерчески доступные металлические и диэлектрические нити с существующим вязальным оборудованием для производства двух прототипов устройств с отражающей решеткой, линзы метаповерхности (металинзы) и устройства генерации вихревого пучка.
В технике жаккардового вязания для создания узора используются два или более типов пряжи: когда пряжа не используется, она свободно прокладывается под полотном и переносится обратно на лицевую сторону по мере необходимости для создания желаемого узора.
Объединив текстильное производство и разработку антенн в единый процесс, команда оптимизировала процесс производства и устранила распространенные дефекты антенн на основе ткани. Группа первой адаптировала методы плоской вязки для встраивания антенн непосредственно в процесс производства ткани — интегрированное производство — и смогла сделать это с низкими затратами и высокой производительностью в промышленных масштабах.
Например, каждый из прототипов метаповерхностей площадью около 1 квадратного метра был связан в течение 45 минут. Кроме того, устройства из плосковязаного полотна выдерживали многократную стирку и растягивание на раме.
«Техника жаккардового вязания, используемая для создания наших текстильных метаповерхностей, — это точно такая же техника, которую моя мама использовала для вязания свитеров для меня. Я до сих пор помню фиолетовый свитер, который я носил в детстве, с рядом белых котов на груди; я помню, что когда я осмотрел внутреннюю сторону свитера, я увидел белые параллельные нити — поплавки», — сказал Юй, пионер в исследовании нанофотонных устройств, таких как метаповерхности.
Он отметил, что эти сложные радиочастотные антенны можно легко изготовить с помощью существующей инфраструктуры: «Мы можем использовать очень старую и очень хорошо зарекомендовавшую себя трикотажную промышленность для удовлетворения некоторых потребностей современных телекоммуникаций. Простота и масштабируемость подхода к изготовлению означает, что эти устройства могут быть недорогими, сверхлегкими, гибкими вариантами сложных антенн радиочастотной связи».
Результаты
Исследователи экспериментально показали, что когда металинза работает как приемная антенна, она фокусирует падающую сантиметровую волну в узкое (дифракционно-ограниченное) фокусное пятно, а когда она работает как передающая антенна, она преобразует расходящееся излучение от рупорной антенны ( обычный источник радиочастот) в волну с плоским волновым фронтом — остронаправленный луч.
Они также продемонстрировали, что могут быть выполнены более сложные задачи формирования волнового фронта: метаповерхность, генерирующая вихревой пучок, создает вихревой пучок — пучок с волновым фронтом в форме штопора. Благодаря своеобразному волновому фронту вихревой пучок может нести независимый канал информации, таким образом, вихревой пучок и пучок с плоским волновым фронтом, используемые вместе, могут сделать канал связи в два раза эффективнее.
Следующие шаги
В будущих усилиях исследователи будут изучать современные методы вязания (существует не менее дюжины разновидностей) и вязальные машины для реализации более сложных многофункциональных конструкций — тканей с комбинированными дизайнерскими электромагнитными, электронными и механическими откликами. Это может быть использовано для проектирования точек шарнира или складок, а также электронных схем в ткани, которые могут быть приведены в действие для дальнейшего облегчения укладки и развертывания или даже переключения между различными электромагнитными функциями.
Масштабируемость плоского вязания занимает высокое место среди всех методов, используемых для производства гибких или жестких РЧ-метаповерхностей и отражающих решеток: коммерческие плосковязальные машины способны производить текстильные изделия шириной до двух метров и без ограничений по длине. Исследователи будут изучать это преимущество, чтобы создать антенны с высоким коэффициентом усиления с апертурами диаметром в несколько метров, но легкие и складные для переноски спутниками для связи на больших расстояниях.
«Важно подчеркнуть, что эти устройства были изготовлены с использованием коммерчески доступных пряж и с использованием устоявшихся методов изготовления», — сказал Юй. «Я почти уверен, что сообщества вязальщиц могут придумать гениальные способы объединить эстетику и функциональность в свитере — свитере, который может также служить усилителем сигнала WiFi».