Ultra-dunne, Hogefrequente Antenne-arrays: Revolutie in Flexibele Draadloze Communicatie

Onderzoekers hebben een stap gezet naar de ontwikkeling van een type antenne-array dat de vleugels van een vliegtuig kan bekleden, fungeert als een huidplaster dat signalen doorgeeft aan medische implants, of een kamer bedekt als behang dat communiceert met Internet of Things (IoT)-apparaten.

Technologie voor 5G en 6G Netwerken

De technologie, die veel toepassingen van opkomende 5G- en 6G-draadloze netwerken mogelijk kan maken, is gebaseerd op grootvlakke elektronica, een manier om elektronische circuits te fabriceren op dunne, flexibele materialen. De benadering overwint beperkingen van conventionele silicium-halfgeleiders, die wel kunnen werken op de hoge radiofrequenties die nodig zijn voor 5G-toepassingen, maar maar tot een paar centimeter breed gemaakt kunnen worden en moeilijk te monteren zijn in de grote arrays die vereist zijn voor verbeterde communicatie met laagvermogenapparaten.

Schaalbare Oplossing met Dunfilm-transistortechnologie

Om deze grote afmetingen te bereiken, hebben anderen geprobeerd met discrete integratie van honderden kleine microchips. Maar dat is niet praktisch – het is niet laagkost, betrouwbaar of schaalbaar op systeemniveau. De nieuwe technologie kan van nature schalen tot grote afmetingen zoals computermonitors en vloeibare-kristal display (LCD) televisies. Deze gebruiken dunfilm-transistortechnologie, die het team aangepast heeft voor gebruik in draadloze signalering.

Zinkoxide Dunfilm-transistoren voor Gefaseerde Arrays

De onderzoekers gebruikten zinkoxide dunfilm-transistoren om een 30 centimeter lange rij van drie antenna's in een opzet te creëren die bekend staat als een gefaseerde array. Gefaseerde antenne-arrays kunnen smalle bundels signalen zenden die digitaal geprogrammeerd kunnen worden om gewenste frequenties en richtingen te bereiken. Elke antenne in de array zendt een signaal uit met een gespecificeerde tijdsvertraging ten opzichte van de buren, en de constructieve en destructieve interferentie tussen deze signalen resulteert in een gefocuste elektromagnetische bundel. Een enkele antenne zendt een vast signaal in alle richtingen uit; een gefaseerde array kan de bundel elektrisch scannen naar verschillende richtingen, wat punt-naar-punt draadloze communicatie mogelijk maakt.

Toepassingen: Van IoT tot Satellieten en Vliegtuigen

Gefaseerde array antenna's worden al decennia gebruikt in systemen voor langeafstandcommunicatie zoals radarsystemen, satellieten en cellulairenetwerken, maar de nieuwe technologie kan nieuwe flexibiliteit brengen aan gefaseerde arrays en hen in staat stellen om in een ander bereik van radiofrequenties te opereren dan eerdere systemen.

Grootvlakke elektronica is een dunfilmtechnologie, zodat circuits op een flexibel substraat over een span van meters gebouwd kunnen worden. Alle componenten kunnen monolithisch geïntegreerd worden in een vel dat de vormfactor heeft van een papierbladen. Het team fabricerde de transistoren en andere componenten op een glazen substraat, maar een vergelijkbaar proces kan gebruikt worden om circuits op flexibel plastic te creëren.

Dit type antennesysteem kan bijna overal geïnstalleerd worden. Als behang in een kamer gebruikt, kan het snelle, veilige en energie-efficiënte communicatie mogelijk maken met een gedistribueerd netwerk van IoT-apparaten zoals temperatuur- of bewegingssensoren. Een antenne die een flexibel oppervlak is, kan ook voordelig zijn voor satellieten, die in een compact formaat gelanceerd worden en uitvouwen zodra ze de baan bereiken, en een groot oppervlak kan voordelig zijn voor langeafstandcommunicatie met vliegtuigen.

Bij een vliegtuig, omdat de afstand zo ver is, gaat veel van de signaalkracht verloren, net als de gevoeligheid. De vleugels vormen een tamelijk groot oppervlak, dus als er een enkelpuntontvanger op die vleugel zit, helpt dat niet; maar als het oppervlak dat het signaal vangt met een factor honderd of duizend uitgebreid kan worden, kan de signaalkracht verminderd en de gevoeligheid van de radio verhoogd worden.