Электромагнитные устройства на основе трехмерных материалов, изготовленных с помощью аддитивных технологий

Аддитивные технологии изготовления открывают новые пути для эффективного исследования трехмерных волноведущих и антенных структур, которые обладают значительными преимуществами перед традиционными планарными реализациями. Кроме того, точное структурирование композитов с чередующимися материалами или пустотами позволяет настраивать электромагнитные свойства и вводить материальные степени свободы в качестве дополнительного технического параметра. В современном электромагнетизме эта концепция часто связана с метаматериалами. Улучшенные электромагнитные характеристики и новые подходы промышленного производства позволяют внедрение новых структур в имеющиеся системы и конструкции сложной формы. Например, объемные антенны новой формы обладают более высокими значениями усиления и направленности по сравнению с планарными, а также менее требовательны к форме подложки. Основной целью проекта является разработка новых радиочастотных элементов, изготовленных с применением аддитивных технологий. В частности, будут разработаны и экспериментально исследованы антенные и волноведущие системы. Возможности гибкой 3D-печати позволят создавать элементы, разработанные в соответствии с особыми потребностями конечного пользователя. В настоящее время существующие на рынке решения в области беспроводной связи (включая спутниковое телевидение, сотовые телефоны и Интернет, глобальные сети IoT и многие другие) основаны на стандартных элементах, которые не во всех случаях являются оптимальными для конкретного использования. Например, для обеспечения хорошего покрытия Wi-Fi сети в офисе можно увеличивать число роутеров до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое покрытие сигналом. Очевидно, этот широко распространенный подход далек от оптимального, поскольку дизайн используемых антенн не учитывает особенности окружения (помещения и тп.). В результате, некоторые зоны оказываются слабо покрытыми, в то время, как в других, напротив, могут быть высокие уровни излучения (несмотря на то, что в настоящее время нет однозначных клинических заключений о вреде радиочастотного излучения, но считается, что его уровень лучше сводить к возможному минимуму). Похожие проблемы возникают и в области спутниковой связи, где высококачественные и чувствительные антенны необходимы для установления связи с Землей. Таким образом данный проект позволит решить проблему не оптимального, с точки зрения эффективности и компактности, дизайна коммерчески доступных антенн и радиочастотных устройств, а также позволит разработать новый подход к изготовлению электромагнитных устройств используя аддитивные технологии. В данном проекте будут разработаны электромагнитные устройства (антенны, волноводы и других компоненты), необходимые для создания эффективных проводных и беспроводных линий связи. Программа исследований включает в себя три основных этапа. Первый шаг это исследование возможных преимуществ объемных структур, используя которые возможно улучшить характеристики устройств, известных в планарной реализации. Данный этап будет реализован используя численное моделирование, а также методы оптимизации различных структур с использованием генетических алгоритмов. Вторым шагом будет являться фактическое изготовление разработанных устройств. Для обеспечения высококачественных токопроводящих элементов, необходимых для эффективного управления электромагнитными волнами, будет разработана технология выборочной локальной функционализации полимеров с последующим химическим и электрохимическим осаждением металлов. В первую очередь будут применяться технологии печати на основе экструзии микронной и миллиметровой точности. На третьем этапе проекта будет проводиться характеризация устройств и сравнение их параметров с существующими аналогами, изготовленными на основе традиционных технологий производства. В частности, будут исследованы основные характеристики антенн, волноведущие характеристики волноводов и другие. Аддитивные технологии изготовления радиочастотных элементов позволят обеспечить новые возможности конструирования специализированных устройств с электромагнитными свойствами и геометрическими формами, необходимыми широкому спектру конечных потребителей, включая интегрированные системы машинного общения и современные системы на основе стандарта 5G. Спектр практических приложений способен в значительной степени дополнить новыми решениями бурно развивающийся рынок коммуникации XXI века.