Изучить влияние шероховатости поверхности на работу антенн 6G и определить требования к этой характеристике при аддитивном производстве удалось коллективу молодых ученых МФТИ. Исследование поможет масштабировать экономически выгодную 3D-технологию изготовления антенн. Результаты опубликованы в материалах международной конференции.
Применяемые сегодня телекоммуникационными сетями радиоантенны обычно производятся при помощи стандартных методов обработки металла, таких как фрезерование, резка, сварка, изгиб и т. п., а также технологии печатных плат. Однако при переходе к более высоким частотам (6G и далее) требуется повышенная точность в изготовлении геометрии, и на этом этапе механические способы обработки естественным образом отпадают, а одни печатные платы не способны покрыть все потребности антенной техники.
Здесь на помощь приходят аддитивные методы 3D-печати, позволяющие гибко реализовывать антенные системы с высоким пространственным разрешением, не уступающим передовым ЧПУ-станкам.
Технология 3D-печати радиоантенн как более дешевый и простой способ может ускорить разработку инфраструктуры сетей 6G. Такую антенну можно изготовить всего за несколько часов, при этом затраты на ее производство составят несколько сотен рублей, а уровень производительности будет аналогичен традиционным.
Наиболее доступными методами из существующих являются лазерное спекание металла, а также селективная металлизация диэлектриков в гальваническом растворе. Обе эти техники активно используются на более низких частотах, однако в диапазоне 6G относительная шероховатость поверхности начинает играть решающую роль при передаче энергии. Так, эффективность систем с шероховатой поверхностью заметно ниже, чем у идеальных, причем чем больше отношение размера такой шероховатости к длине электромагнитной волны, тем сильнее негативное влияние.
Команда молодых ученых МФТИ выяснила, что характерный дефект поверхности в виде полусферы при такой технологии возникает в ходе сплавления слоев (при лазерном спекании) или вследствие природы роста кристаллов (при селективной металлизации). Они отметили, что предложенная модель применима и для технологии печатных плат с той лишь разницей, что обыкновенным дефектом в данном случае являются так называемые протравы — ямки на поверхности металла.
Чтобы определить перспективные методы изготовления антенн 6G, а также исследовать спектр применимости уже существующих методик, коллектив лаборатории радиофотоники МФТИ провел электромагнитное моделирование для систем W-дипазона.
В результате исследования было наглядно показано, что методы изготовления, создающие дефекты поверхности размером в одну сотую длины волны и более, могут существенно исказить характеристики изготавливаемого образца.
«В работе мы смоделировали различные структуры. Так, прямоугольный волновод и микрополосковая линия выполняют функцию проводной передачи энергии из одной точки в другую, а рупорная антенна и патч-антенна передают ее беспроводным способом. С точки зрения рабочего диапазона прямоугольный волновод и рупор работают в широкой полосе частот, а микрополосковая линия и патч-антенна — в узкой. Таким образом, в нашем исследовании мы покрыли все основные классы приборов, изготавливаемых как аддитивно, так и при помощи технологии печатных плат. Для моделирования поверхностных дефектов (шероховатостей) мы использовали коммерческое ПО для электромагнитного моделирования, в котором создали геометрию с равномерно распределенным случайным набором сфер радиуса R с заданной поверхностной плотностью. Такие дефекты имитировали как неоднородности металлизации 3D-печатных макетов (волновод, рупор), так и протравы на печатных платах (микрополосок, патч)», — рассказал соавтор работы, научный сотрудник лаборатории радиофотоники МФТИ Владимир Бурцев.
Разработчики подчеркивают, что полученные результаты легко могут быть перенесены и на другие диапазоны частот, поскольку сам метод учета погрешностей является абсолютно масштабируемым и работает не только для W-диапазона. Для характеризации антенных систем в рамках предложенного способа были исследованы коэффициенты прохождения сигнала через структуры и отражения от них, а также диаграммы направленности антенн.
Результирующим итогом стали сформулированные требования к шероховатости поверхности для процесса аддитивного производства антенн 6G. По материалу исследования ожидается публикация в тематическом журнале, а также регистрация результата интеллектуальной собственности.
