Was für eine schwarze Technologie ist das, das rekonfigurierbare Antennenmodell „6G Era Accelerator“?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Rui (Halbleiteringenieur)

Hersteller: China Science Expo

Derzeit entwickelt sich der 5G-Ausbau in meinem Land mit hoher Geschwindigkeit. Wenn man auf die Entwicklung von Kommunikationsnetzwerksystemen zurückblickt, ist viel schwarze Technologie im Spiel. In zukünftigen Kommunikationsnetzwerksystemen (wie 6G) gibt es eine schwarze Technologie, die zu einer unverzichtbaren Komponente werden wird: rekonfigurierbare Antennen.

(Bildquelle: Referenz 1)

Das Konzept einer rekonfigurierbaren Antenne ist für uns alle möglicherweise sehr ungewohnt. Tatsächlich ist es ein sehr wichtiges Gerät im Bereich der modernen Kommunikation. Ich bin überzeugt, dass Sie nach der Lektüre dieses Artikels wissen, was rekonfigurierbare Antennen sind, wo sie eingesetzt werden können und welche aktuellen Entwicklungen es auf diesem Gebiet gibt.

Transformatoren in der Antennenwelt – rekonfigurierbare Antennen

Erinnern Sie sich noch an den ersten „großen Bruder“, „Little Smart“ oder das Radio zu Hause? Sie haben eines gemeinsam: Sie haben Antennen auf dem Kopf. Die heute von uns genutzten Mobiltelefone weisen einen stark vereinfachten Aufbau auf und haben meist die Form eines rechteckigen Blocks. Aber wussten Sie, dass die Antenne nicht verschwunden ist, sondern nur von außen nach innen gewechselt ist? Wenn wir Mobiltelefone oder andere drahtlose Geräte verwenden, benötigen wir Antennen zum Empfangen und Senden drahtloser Signale.

Wie der Name schon sagt, muss eine rekonfigurierbare Antenne über einige Parameter verfügen, die geändert werden können? Das ist richtig, eine rekonfigurierbare Antenne ist ein Gerät, das seine Antennenstruktur oder -parameter während des Betriebs nach Bedarf ändern kann.

Interne Antenne

(Fotoquelle: veer)

Durch Ändern der eigenen Konfiguration kann es sich an unterschiedliche Anforderungen der drahtlosen Kommunikation anpassen, beispielsweise an unterschiedliche Signalfrequenzen, unterschiedliche Signalrichtungen usw. Im Vergleich zu herkömmlichen Antennen mit fester Struktur verfügen rekonfigurierbare Antennen über eine höhere Flexibilität und Anpassungsfähigkeit, wodurch wir besser auf unterschiedliche Kommunikationsanforderungen reagieren können.

Um ein Beispiel zu nennen: Die rekonfigurierbare Antenne ist wie ein Schweizer Taschenmesser mit mehreren Funktionen und Einsatzmöglichkeiten und kann in unterschiedlichen Anwendungsszenarien unterschiedliche Rollen spielen, wie etwa die Verbesserung der Kommunikationsqualität, die Verbesserung der Entstörungsfähigkeiten und die Erweiterung der Abdeckung.

Es scheint, dass sich Geräte mit rekonfigurierbaren Antennen an unterschiedliche Umgebungen anpassen und das Signal definitiv nicht schlecht sein wird.

In einem Fahrzeugnavigationssystem mit einer rekonfigurierbaren Antenne kann die rekonfigurierbare Antenne, wenn das Fahrzeug in verschiedene Städte und Regionen fährt, ihre Richtung und Polarisation (wir werden das Konzept der Polarisation später vorstellen) entsprechend dem lokalen Wetter, Gelände, Gebäuden und anderen Faktoren dynamisch anpassen, um die Signalqualität und Stabilität der Fahrzeugnavigation sicherzustellen.

Auto-Navigationssystem

(Fotoquelle: veer)

Die Materialien und Technologien, die in einer rekonfigurierbaren Antenne verwendet werden, die solch leistungsstarke Funktionen erreichen kann, müssen also außergewöhnlich sein, oder? Tatsächlich kommen Ihnen einige dieser Techniken und Materialien möglicherweise bekannt vor.

Um die Einstellbarkeit rekonfigurierbarer Antennen zu erreichen, können verschiedene Techniken und Materialien verwendet werden. Im Folgenden sind einige gängige rekonfigurierbare Antennentechnologien und -materialien aufgeführt:

Abstimmbare Induktoren und Kondensatoren: Der Frequenzgang und die Richtwirkung einer Antenne können durch Variation ihres Induktivitäts- oder Kapazitätswerts geändert werden.

PIN-Dioden und Feldeffekttransistoren (FETs): Sie können als HF-Schalter fungieren und den Strom oder die Spannung an der Antenne steuern und dadurch ihre Eigenschaften ändern, beispielsweise durch Anpassen von Frequenz, Polarisation oder Richtung.

Flüssigkristallmaterial: Sein Brechungsindex und seine Polarisationseigenschaften können durch ein elektrisches Feld gesteuert werden, wodurch eine Polarisationseinstellung der Antenne erreicht wird.

Piezoelektrische Materialien: können durch Anlegen einer Spannung ihre Form ändern und so die Struktur und Eigenschaften der Antenne verändern.

Künstliche elektromagnetische Materialien (Metamaterialien): Materialien mit besonderen elektromagnetischen Eigenschaften, wie beispielsweise negativem Brechungsindex und Metamaterialien, können durch Mikrostrukturdesign erreicht werden. Mit diesen Materialien können rekonfigurierbare Antennen entworfen und einige unkonventionelle Eigenschaften wie Ultrabreitband, Polarisationsrotation und Fokussierung elektromagnetischer Wellen erreicht werden.

Diese Techniken und Materialien können in Kombination verwendet werden, um flexiblere und steuerbarere rekonfigurierbare Antennen zu erhalten.

Die Anwendungsbereiche rekonfigurierbarer Antennen liegen jenseits Ihrer Vorstellungskraft

Die rekonfigurierbare Antenne verfügt über leistungsstarke Funktionen und ihre Anwendungsbereiche sind ebenfalls sehr breit gefächert. Sie sind sich dessen vielleicht nicht bewusst, aber in unserem täglichen Leben gibt es bereits viele rekonfigurierbare Antennen. Rekonfigurierbare Antennen werden in Bereichen wie Mobilkommunikation, Radar und Satellitenkommunikation häufig eingesetzt.

Im Bereich der Mobilkommunikation können rekonfigurierbare Antennen uns dabei helfen, Multiband-, Breitband- und Mehrantennensysteme zu realisieren, um die Kommunikationsqualität und -kapazität zu verbessern. Beispielsweise kann eine rekonfigurierbare Antenne ihre Antennenrichtung adaptiv an die Netzwerklast und Signalstärke anpassen, um den Signalempfang und die Übertragungseffizienz zu maximieren. Darüber hinaus können rekonfigurierbare Antennen auch zur Verbesserung der Signalqualität in Szenarien wie der Fahrzeugkommunikation und im Smart Home eingesetzt werden.

In Radarsystemen können rekonfigurierbare Antennen die Auflösung, die Erfassungsreichweite und die Entstörungsleistung von Radarsystemen verbessern. Beispielsweise können rekonfigurierbare Antennen Mehrwegestörungen und Reflexionen durch Anpassung ihrer Polarisation oder Richtwirkung reduzieren und so die Klarheit und Stabilität von Radarsignalen verbessern.

Im Bereich der Satellitenkommunikation können rekonfigurierbare Antennen die Frequenzabdeckung und Energieeffizienz von Satellitenantennen verbessern. Beispielsweise können rekonfigurierbare Antennen ihre Richtung und Polarisation während der Satellitensignalübertragung dynamisch anpassen, um sich an unterschiedliche Benutzer und unterschiedliche Übertragungsanforderungen anzupassen und so die Effizienz und Zuverlässigkeit der Satellitenkommunikation zu verbessern.

Die riesigen Antennen des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array

(Bildquelle: Wikipedia)

Wenn wir über Antennen sprechen, müssen wir über die Polarisation von Antennen sprechen.

Als wir die Anwendung rekonfigurierbarer Antennen vorstellten, fiel ein Wort immer wieder: Polarisation. Viele Freunde haben vielleicht Fragen: Was genau ist die Polarisation der Antenne?

Unter der Polarisation einer Antenne versteht man die Schwingungsrichtung elektromagnetischer Wellen bei der Ausbreitung im Raum. Konkret kann man zwischen horizontaler Polarisation, vertikaler Polarisation und geneigter Polarisation unterscheiden. Wenn eine elektromagnetische Welle in einer Ebene senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingt, spricht man von horizontaler Polarisation. Wenn eine elektromagnetische Welle entlang ihrer Ausbreitungsrichtung geradlinig schwingt, spricht man von vertikaler Polarisation. Wenn eine elektromagnetische Welle in einer Ebene schwingt, die weder senkrecht noch in Ausbreitungsrichtung verläuft, spricht man von schräger Polarisation.

Das Konzept der Polarisation lässt sich auch anhand des folgenden anschaulichen Beispiels verstehen.

Stellen Sie sich vor, Sie halten ein Seil in der Hand, an dessen Ende sich ein Ball befindet. Bei der drahtlosen Kommunikation ähnelt die Beziehung zwischen den von uns verwendeten Antennen und elektromagnetischen Wellen der zwischen einem Seil und einem Ball. Die Schwingungsrichtung der Antenne ist die Polarisationsrichtung.

Wenn Sie die Schnur mit der Hand nach links und rechts schwingen, schwingt auch der Ball nach links und rechts. An diesem Punkt können wir uns vorstellen, dass der Ball nach links und rechts vibriert, was einer horizontalen Polarisation entspricht. Wenn wir den Ball in Vorwärts-Rückwärts-Richtung vibrieren lassen, ist er vertikal polarisiert. Wenn der Ball nicht nur in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung, sondern auch in der Links-Rechts-Richtung vibriert, handelt es sich um eine Neigungspolarisation.

Daher kann uns die Wahl einer Antenne mit geeigneter Polarisation dabei helfen, drahtlose Signale besser zu empfangen und zu senden und so die Kommunikationseffekte zu verbessern.

(Fotoquelle: veer)

Es ist wichtig zu beachten, dass die Polarisationsrichtung einer Antenne nicht genau der Richtung entspricht, in die die Antenne zeigt, aber die beiden Konzepte hängen zusammen.

Während des Betriebs der Antenne ist die Schwingungsrichtung der elektromagnetischen Welle, die sie sendet oder empfängt, die Polarisationsrichtung der Antenne und die Richtung, in die die Antenne zeigt, ist ihre Strahlungs- oder Empfangsrichtung.

Wenn beispielsweise die Polarisationsrichtung einer Antenne vertikal polarisiert ist, ist die Schwingungsrichtung der von der Antenne gesendeten oder empfangenen elektromagnetischen Welle senkrecht zur Richtung der Antenne. Wenn diese Antenne nach Osten zeigt, sendet oder empfängt sie elektromagnetische Wellen aus östlicher Richtung.

Daher sind die Polarisationsrichtung und die Ausrichtungsrichtung einer Antenne zwei miteinander verbundene, aber unterschiedliche physikalische Größen und beide wichtige Konzepte in der Antennenarbeit. Um die Kommunikationsanforderungen zu erfüllen, müssen wir entsprechend der tatsächlichen Situation die geeignete Polarisationsrichtung und Ausrichtung der Antenne wählen.

Riesiges straßenbasiertes Radar und mobiles Radarfahrzeug

(Bildquelle: Wikipedia)

Was ist neu an der neuen rekonfigurierbaren Antenne?

Viele aktuelle rekonfigurierbare Antennendesigns weisen einige Nachteile auf, z. B. funktionieren sie in Umgebungen mit hohen oder niedrigen Temperaturen nicht ordnungsgemäß, weisen Leistungsbeschränkungen auf oder erfordern regelmäßige Wartung. Um diese Probleme zu lösen, kombinierten Forscher der Pennsylvania State University Elektromagnete und nachgiebige Mechanismen, um einen Proof-of-Concept für eine rekonfigurierbare Patch-Antenne vorzuschlagen.

Das Forschungsteam verwendete kommerzielle elektromagnetische Simulationssoftware, um einen Prototyp einer kreisförmigen Iris-Patch-Antenne zu zeichnen und zu entwerfen. Anschließend erweckten sie es mithilfe der 3D-Drucktechnologie zum Leben und testeten in einer schalltoten Kammer eine Reihe von Material- und Antennenparametern, darunter Ermüdungsbruch, Frequenz und Strahlungsmustertreue.

Diese rekonfigurierbare Antenne hat die Form einer kreisförmigen Irisklappe und ist nur geringfügig größer als eine menschliche Hand. Sein Designziel besteht darin, die Anwendung einer bestimmten Frequenz zu demonstrieren und es kann entsprechend für verschiedene Frequenzen angepasst werden. Für Hochfrequenzanwendungen kann die Technologie auf die Ebene integrierter Schaltkreise herunterskaliert werden, während für Niederfrequenzanwendungen ihre Größe erhöht werden kann.

Die Forscher sagten, dass diese Errungenschaft flexible Mechanismen als neues Designparadigma im Bereich des Elektromagnetismus nutzt, was ein völlig neuer Zweig des Designbereichs sein könnte, der den Menschen spannende Anwendungsmöglichkeiten bieten wird.

Abschluss

Tatsächlich wurde das Konzept rekonfigurierbarer Antennen bereits in den 1960er Jahren vorgeschlagen. Aufgrund der Eigenschaften rekonfigurierbarer Antennen müssen im Forschungsprozess keine komplexen Prozesse der Signalbildung und -verarbeitung auf Sender- und Empfängerseite berücksichtigt werden. Gleichzeitig sind jedoch auch die Anforderungen an die Tragwerksplanung deutlich gestiegen.

Diese neue Errungenschaft, die 3D-Druck und flexible Strukturen kombiniert, bietet zweifellos neue Inspiration für die Forschung zu rekonfigurierbaren Antennen. Ich bin davon überzeugt, dass das 6G-Zeitalter mit der fortgesetzten Forschung der Wissenschaftler bald anbrechen wird.

Herausgeber: Guo Yaxin