Лаборатория прикладной физики университета Джонса Хопкинса разрабатывает антенну с изменяемой формой с помощью аддитивного производства

Исследователи из Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса (APL) представили антенну, которая меняет форму в зависимости от температуры. Используя передовые технологии аддитивного производства и сплавы с эффектом памяти формы (SMA), команда разработала технологию с преобразующим потенциалом для военных, коммерческих и научных приложений.

Инновационная конструкция, подробно описанная в недавней публикации в ACS Applied Engineering Materials и представленная в предстоящем выпуске, позволяет антенне динамически изменять свою форму, что позволяет работать в нескольких радиочастотных (РЧ) диапазонах. Такая адаптивность может заменить необходимость в нескольких фиксированных антеннах, предлагая новые уровни эксплуатационной гибкости.

РЧ-связь со сплавами с эффектом памяти формы

Традиционные антенны ограничены своей фиксированной формой, которая определяет их рабочие параметры. Антенна с изменяющейся формой открывает возможности для динамической радиочастотной связи, включая:

• • Работа в различных частотных диапазонах с одной антенной.
• • Переключение между ближней и дальней связью путем регулировки ширины луча.
• • Адаптация в реальном времени к доступности спектра для большей гибкости.

Прорыв использует нитинол, сплав с эффектом памяти формы из никеля и титана, который возвращается к «запомненной» форме при нагревании. Хотя нитинол обычно используется в медицинских приборах и аэрокосмических приводах, его использование в аддитивном производстве создало значительные проблемы из-за необходимости его обширной механической обработки для достижения эффекта памяти формы.

От концепции к прорыву

Проект начался в 2019 году, когда инженер-электрик Дженнифер Холленбек, вдохновленная технологией изменения формы в сериале «Пространство», попыталась создать более универсальную антенну. Сотрудничая со Стивеном Шторком, главным научным сотрудником APL по аддитивному производству, команда приступила к многолетним усилиям по преодолению ограничений 3D-печати нитинола.

Первоначальные попытки создать антенну, изменяющую форму, столкнулись с трудностями, включая жесткость и сложность расширения. Однако при финансировании внутреннего гранта APL Propulsion Grant команда усовершенствовала конструкцию, достигнув двустороннего эффекта памяти формы, где антенна переходит из плоского спирального диска в холодном состоянии в коническую спираль при нагревании.

Преодоление технических проблем

Разработка антенны, изменяющей форму, потребовала решения нескольких технических препятствий:

• 1. Механизм нагрева:
  Команде пришлось спроектировать линию электропередачи, способную нагревать антенну без ущерба для радиочастотных свойств или структурной целостности. Инженер по радиочастотам Майкл Шерберн руководил разработкой новой линии электропередачи для подачи достаточного тока для этой цели.
• 2. Аддитивное производство нитинола:
  Печать нитинолом представляла собой особую сложность, поскольку свойства памяти формы материала приводили к его деформации в процессе печати. Инженеры по аддитивному производству Сэмюэль Гонсалес и Мэри Даффрон потратили недели на оптимизацию параметров обработки для достижения стабильных результатов.
• 3. Состав материала:
  Изменив соотношение никеля и титана, команда усилила двусторонний эффект памяти формы, что позволило антенне переключаться между формами при определенных температурах.

Широкий спектр применения и планы на будущее

Антенна с изменяющейся формой имеет потенциал в различных областях:

• • Военные Операции: Позволяет специальным операторам адаптироваться к динамическим потребностям связи в полевых условиях.
• • Телекоммуникации: Поддерживает адаптивность мобильных сетей и расширенное покрытие.
• • Исследование космоса: Предлагает легкие, адаптивные решения для миссий в дальнем космосе.

APL занимается патентованием адаптивной антенны, инновационной линии электропередачи и связанных с ней методов управления. Кроме того, команда стремится распространить технологию на различные материалы SMA и оптимизировать производство для более широкого использования в системах аддитивного производства.

Инновации в действии

«Возможность изменения формы антенны, продемонстрированная этой командой APL, станет революционным инструментом для многих приложений, требующих адаптивности RF в компактной конфигурации», — сказал главный инженер APL Конрад Грант.
Это достижение подчеркивает силу междисциплинарного сотрудничества в APL, закладывая основу для достижений, которые могут изменить коммуникационные технологии в различных отраслях.

Источник: jhuapl.edu