Las antenas reconfigurables, aquellas que pueden ajustar propiedades como la frecuencia o los haces de radiación en tiempo real, desde lejos, son parte integral de los futuros sistemas de redes de comunicación, como 6G. Pero muchos diseños de antenas reconfigurables actuales pueden fallar : funcionan mal en temperaturas altas o bajas, tienen limitaciones de energía o requieren mantenimiento regular.

Para hacer frente a estas limitaciones, los ingenieros eléctricos de la Facultad de Ingeniería de Penn State combinaron electroimanes con un mecanismo compatible, que es el mismo concepto de ingeniería mecánica detrás de los clips de carpeta o un arco y una flecha. Publicaron hoy (13 de febrero) en Nature Communications su antena de parche habilitada para mecanismo compatible reconfigurable de prueba de concepto.

« Los mecanismos compatibles son diseños de ingeniería que incorporan elementos de los propios materiales para crear movimiento cuando se aplica fuerza, en lugar de los mecanismos tradicionales de cuerpo rígido que requieren bisagras para el movimiento », dijo el autor correspondiente Galestan Mackertich-Sengerdy, estudiante de doctorado y profesor. investigador de tiempo completo en la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) de la universidad. « Los objetos habilitados para mecanismos compatibles están diseñados para doblarse repetidamente en una dirección determinada y resistir entornos hostiles ».

Cuando se aplica a una antena reconfigurable, sus brazos habilitados para el mecanismo de quejas se doblan de manera predecible, lo que a su vez cambia sus frecuencias operativas, sin el uso de bisagras o cojinetes.

« Al igual que un camaleón activa las pequeñas protuberancias en su piel para que se muevan, lo que cambia su color, una antena reconfigurable puede cambiar su frecuencia de baja a alta y viceversa, simplemente configurando sus propiedades mecánicas, habilitadas por el mecanismo compatible », dijo co -autor Sawyer Campbell, profesor asociado de investigación en EECS.

Los diseños habilitados para mecanismos compatibles reemplazan las tecnologías de diseño de origami existentes, llamadas así por el arte japonés del plegado de papel, que son reconfigurables pero no tienen las mismas ventajas en robustez, confiabilidad a largo plazo y capacidad de manejo de alta potencia.

« Los diseños de antenas de Origami son conocidos por sus capacidades compactas de plegado y almacenamiento que luego se pueden implementar más adelante en la aplicación », dijo Mackertich-Sengerdy. « Pero una vez que se implementan estas estructuras plegadas en origami, por lo general necesitan una estructura rígida compleja, para que no se deformen ni se doblen. Si no se diseñan cuidadosamente, este tipo de dispositivos sufrirían limitaciones ambientales y operativas de por vida en el campo ».

El equipo ilustró y diseñó un prototipo de antena de parche circular con forma de iris utilizando un software comercial de simulación electromagnética. Luego lo imprimieron en 3D y lo probaron en busca de fallas por fatiga, así como la fidelidad del patrón de radiación y frecuencia en la cámara anecoica de Penn State, una habitación aislada con material de absorción de ondas electromagnéticas que evita que las señales interfieran con la prueba de la antena.

Aunque el prototipo, diseñado para apuntar a una frecuencia específica para la demostración, es solo un poco más grande que la palma de una mano humana, la tecnología se puede escalar al nivel del circuito integrado para frecuencias más altas o aumentar de tamaño para aplicaciones de frecuencia más baja, según los investigadores.

La investigación de mecanismos compatibles ha aumentado en popularidad debido al auge de la impresión 3D, según los investigadores, que permite infinitas variaciones de diseño. Fue la experiencia de Mackertich-Sengerdy en ingeniería mecánica lo que le dio la idea de aplicar esta clase específica de mecanismos compatibles al electromagnetismo.

« El documento presenta mecanismos compatibles como un nuevo paradigma de diseño para toda la comunidad electromagnética, y anticipamos que crecerá », dijo el coautor Douglas Werner, John L. y Genevieve H. McCain Catedrático de EECS. « Podría ser el punto de partida para un campo de diseños completamente nuevo con aplicaciones emocionantes que aún no hemos soñado ».