Rambler's Top100
Все новости Новости отрасли

Ученые предложили бюджетный способ изготовления высокоточных антенн связи

25 мая 2022

Ученые Московского физико-технического института (МФТИ) разработали новую технику печати, основанную на применении недорогого и простого устройства FDM, — технологию 3D-печати наплавлением с последующим электрохимическим покрытием формы металлом. Такая техника позволяет создавать сложные объемные конструкции, актуальные при производстве высокоточных устройств, например, антенн. Новый экономичный способ создания антенн поможет обеспечить качественной связью поколений 5G и 6G. Описанные учеными методы и подходы могут быть реализованы с использованием полностью отечественных материалов и приборов.

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. 

Источник: Минобрнауки РФ

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

Оставить свой комментарий:

Для комментирования необходимо авторизоваться!

Комментарии по материалу

Данный материал еще не комментировался.

Продолжение использования сайта пользователем интерпретируется как согласие на обработку фрагментов персональных данных (таких, как cookies) для целей корректной работы сайта.

Согласен