По мере того как исследователи по всему миру стремятся к созданию систем беспроводной связи 6G, потребность в антеннах, способных динамически адаптироваться к постоянно меняющимся условиям передачи сигнала, становится все более острой. Ключевым требованием для 6G является интеллектуальное управление лучом, которое позволяет направлять, формировать и оптимизировать сигналы в режиме реального времени для обеспечения сверхвысокой скорости передачи данных, низкой задержки и возможности подключения большого количества устройств.
Исследователи из Университета Тохоку и Университета Суррея успешно разработали инновационную антенну Яги-Уда с изменяемой диаграммой направленности, оснащенную магнитным редуктором. Новая конструкция обеспечивает точное сканирование луча, устраняя при этом многие недостатки традиционных технологий реконфигурируемых антенн.
Результаты исследования были опубликованы в журнале IEEE Transactions on Antennas and Propagation.
Антенны с изменяемой диаграммой направленности являются важнейшими компонентами будущих систем 6G, поскольку они могут динамически перенаправлять излучение в сторону нужных пользователей или устройств. Существующие подходы можно разделить на две категории: электронные и механические. Оба подхода имеют существенные недостатки.
Например, электронные реконфигурируемые антенны, в которых используются диоды и схемы смещения, обеспечивают чрезвычайно быстрое сканирование луча — порядка микросекунд, но при этом имеют высокие вносимые потери, нелинейность и несимметричность. Механические подходы, напротив, обеспечивают линейность и симметричность, но требуют сложных механических соединений и подвержены трению и износу.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа предложила встроить магнитную передачу непосредственно в антенную систему. Магнитная передача передает крутящий момент без физического контакта, используя магнитостатические силы, возникающие между наборами небольших магнитов.
В новой разработке нижняя часть магнитной шестерни приводится в движение механически, а верхняя часть, соединенная с ней магнитным способом, вращается полностью бесконтактно, даже через заземляющий слой антенны.
Такое бесконтактное управление устраняет необходимость в прямых механических соединениях между приводом и антенным элементом, благодаря чему система практически не подвержена трению и износу. Поскольку расстояние между магнитными шестернями во время работы остается неизменным, магнитостатическая сила стабильна и практически линейна.
Это упрощает многобитную или даже непрерывную реконфигурацию антенны без нелинейных эффектов, характерных для систем, в которых используются электромагниты с переменным расстоянием между полюсами.
Конструкция также обеспечивает низкие вносимые потери, что является важнейшим требованием для высокочастотных беспроводных систем. Диэлектрические потери можно свести к минимуму, оптимизировав плотность заполнения при изготовлении магнитной зубчатой передачи с помощью 3D-принтера, а магнитные потери остаются низкими до тех пор, пока отдельные магниты достаточно малы по сравнению с рабочей длиной волны.