Ультратонкие высокочастотные антенные решётки: революция в гибкой беспроводной связи

Новая технология антенн на основе крупноформатной электроники

Исследователи сделали шаг к созданию типа антенных решёток, которые могут обшивнуть крылья самолёта, функционировать как кожный патч для передачи сигналов медицинским имплантам или покрыть стены как обои для связи с устройствами Интернета вещей (IoT).

Преодоление ограничений кремниевых полупроводников

Технология, способная открыть множество применений для новых 5G и 6G сетей, основана на крупноформатной электронике — способе fabricación электронных цепей на тонких гибких материалах. Подход преодолевает ограничения обычных кремниевых полупроводников, которые могут работать на высоких радиочастотах, нужных для 5G, но могут быть изготовлены только шириной в несколько сантиметров и трудно собираются в большие решётки, необходимые для улучшенной связи с маломощными устройствами.

Моноolithic интеграция вместо дискретной сборки

Для достижения больших размеров другие пытались использовать дискретную интеграцию сотен микрочипов. Но это непрактично — не дешево, не надежно и не масштабируется на уровне беспроводных систем. Новая технология может нативно масштабироваться до больших размеров, таких как мониторы компьютеров и жидкокристаллические телевизоры. Они используют технологию тонкоплёночных транзисторов, которую команда адаптировала для беспроводной сигнализации.

Фазированные антенные решётки на оксиде цинка

Исследователи использовали тонкоплёночные транзисторы на оксиде цинка для создания 30-сантиметрового ряда из трёх антенн в конфигурации фазированной решётки. Фазированные антенные решётки могут передавать узкодиаграмные сигналы, которые можно программно настраивать для достижения желаемых частот и направлений. Каждая антенна в решётке излучает сигнал с заданной временной задержкой относительно соседей, а конструктивная и деструктивная интерференция между этими сигналами складывается в фокусированный электромагнитный луч. Одиночная антенна излучает фиксированный сигнал во все стороны; фазированная решётка может электронически поворачивать луч в разные направления, обеспечивая точечную беспроводную связь.

Перспективы применения: от сателлитов до умных комнат

Фазированные антенные решётки десятилетиями используются в системах дальней связи — радарах, спутниках, сотовых сетях — но новая технология может принести гибкость в фазированные решётки и позволить им работать в другом диапазоне радиочастот.

Крупноформатная электроника — это тонкоплёночная технология, поэтому цепи можно строить на гибком субстрате на расстоянии метров. Все компоненты могут быть моноolithic интегрированы в лист формата обычной бумаги. Команда изготовила транзисторы и другие компоненты на стеклянном субстрате, но аналогичный процесс можно использовать для создания цепей на гибком пластике.

Такой тип антенной системы можно установить практически везде. Используемый как обои в комнате, он может обеспечить быструю, безопасную и энергоэффективную связь с распределённой сетью IoT-устройств — датчиков температуры или движения. Гибкая антенная поверхность также полезна для спутников, которые запускаются в компактном формате и раскрываются на орбите, а большая площадь может быть преимуществом для дальней связи с самолётами.

В случае с самолётом, из-за большой дальности большая часть мощности сигнала теряется, как и чувствительность. Крылья имеют довольно большую площадь, поэтому если есть одн-точечный приёмник на крыле, это не помогает; однако, если площадь захвата сигнала можно расширить в 100 или 1000 раз, мощность сигнала можно снизить, а чувствительность радиоприёмника — повысить.