Antenne MIMO (Multiple Input Multiple Output) a basso costo per sistemi di comunicazione 5G stampate in 3d

Alcuni ricercatori britannici hanno esaminato l’uso della stampa 3D per produrre antenne MIMO (Multiple Input Multiple Output) a basso costo per sistemi di comunicazione 5G.

Questi MIMO proposti, fabbricati utilizzando la stampa 3D, sono in grado di fornire raggi in più direzioni, fornendo una copertura continua e in tempo reale senza l’uso di sfasatori. Inoltre, possono operare nella banda 5G a 28 GHz con prestazioni di larghezza di banda superiori a 4 GHz.

Pertanto, i ricercatori hanno scoperto che queste antenne offrono una scelta a basso costo per consentire applicazioni a onde 5G e mm, grazie all’uso della stampa 3D. Inoltre, la stampa 3D ha anche facilitato scelte progettuali complesse che consentono di modificare la direzione del raggio dell’antenna e di aumentarne la direttività.

Lo schema dell’antenna proposta con parete sul lato. (a) Vista frontale e (b) vista prospettica. Immagine tramite Shaker Alkaraki e Yue Gao.
Lo schema dell’antenna proposta con parete sul lato. (a) Vista frontale e (b) vista prospettica. Immagine tramite Shaker Alkaraki e Yue Gao.
I vantaggi delle antenne per la stampa 3D

I ricercatori iniziano delineando l’imminente standardizzazione del 5G attualmente in corso di attuazione nella maggior parte dei paesi. Un grande miglioramento rispetto alle tecnologie attuali, la tecnologia wireless 5G dovrebbe migliorare la capacità complessiva del sistema di diverse centinaia di volte, oltre ad aumentare la produttività complessiva del sistema con una maggiore efficienza spettrale ed energetica, riducendo al minimo la latenza del sistema. Il 5G verrà introdotto nei paesi con le seguenti bande di frequenza a onde millimetriche (onde mm): da 24 GHz a 29,5 GHz, da 37 GHz a 42,5 GHz, da 47,2 GHz a 48,2 GHz e da 64 a 71 GHz.

Gli autori spiegano quindi come la stampa 3D sia un processo di fabbricazione efficace per la progettazione di antenne e sono state utilizzate per produrre antenne per una varietà di applicazioni in diverse bande di frequenza che vanno dalle microonde alle frequenze THz. “L’uso della stampa 3D per fornire soluzioni di antenne presenta numerosi vantaggi come la realizzazione di forme complesse a basso costo”, spiegano i ricercatori nel documento.

Infatti antenne stampate in 3D sono state implementate da artisti del calibro dell’Agenzia spaziale europea (ESA) per la sua missione spaziale PROBA-3 . L’antenna è stata stampata in 3D dal gruppo di ingegneria e tecnologia spagnolo SENER e dal Center for Advanced Aerospace Technologies (CATEC). Inoltre, i ricercatori dell’Università del Delaware (UDEL) utilizzano anche la stampa 3D per sviluppare nuove antenne 5G , utilizzando il sistema XJet Carmel 1400 . Lunewave, produttore di radar e antenne con sede in Arizona, è una startup con tecnologia proprietaria interamente focalizzata su antenne con lenti stampate in 3D. La società ha raccolto $ 5 milioni in un round di finanziamento delle sementi nel 2018.

Il processo di antenne per la stampa 3D può essere suddiviso in due fasi, secondo i ricercatori. Il primo è il processo di stampa 3D vero e proprio, seguito dal processo di metallizzazione. I ricercatori spiegano che è più efficace utilizzare tecniche di metallizzazione a basso costo rispetto alla placcatura elettrolitica ad alto costo, poiché ciò aiuta a contenere il costo dell’antenna stampata in 3D, un vantaggio centrale dell’utilizzo della produzione additiva in primo luogo.

Il sistema di antenne MIMO utilizza più antenne, il che aiuta ad aumentare la capacità di collegamento del sistema. Tuttavia, la produzione del sistema MIMO attraverso i processi di produzione tradizionali richiede un costo elevato per i componenti del sistema. Pertanto, i ricercatori propongono la stampa 3D delle antenne MIMO al fine di limitare le spese di produzione, rendendo il sistema più efficiente e rendendo le antenne orientabili.

“Proponiamo un’antenna MIMO innovativa ea basso costo per applicazioni con stazione base ad onde 5G mm”, spiegano gli autori. “L’antenna MIMO proposta è fabbricata utilizzando la stampa 3D, che offre l’opportunità di realizzare progetti di antenne innovativi e complessi con un costo complessivo ridotto rispetto alle antenne convenzionali. L’antenna MIMO proposta è compatta, economica, efficiente, ad alto guadagno e offre capacità di commutazione del fascio utilizzando una tecnica innovativa senza utilizzare la tecnologia a matrice graduale. ”

I prototipi di antenne MIMO sviluppati per lo studio includono anche un sistema 2 × 2 e un sistema MIMO 4 × 3. Oltre ad essere convenienti ed efficienti, i prototipi offrono anche capacità di commutazione del raggio, rese possibili dalla stampa 3D. Ciascuna delle antenne MIMO è composta da due parti principali: la struttura di alimentazione e la struttura radiante. La struttura di alimentazione è progettata per accoppiare l’energia elettromagnetica alla superficie della struttura radiante, che è la parte stampata in 3D del sistema, costituita da una fessura centrale circondata da una cavità rettangolare e due ondulazioni. La struttura radiante viene stampata in 3D utilizzando una stampante 3D Objet30 e quindi metallizzata mediante il processo di metallizzazione a spruzzo Jet Metal (JMT). Ciò comporta il rivestimento della struttura stampata in 3D in un sottile strato di argento, con uno spessore di 2,5 μm.

Il meccanismo di governo del raggio, presente nel MIMO 4 x 3, è costituito da una parete metallizzata stampata in 3D sul lato dell’antenna. A seconda dell’altezza della parete, la parete metallizzata aiuta a orientare il raggio nella direzione desiderata, migliorando al contempo il guadagno dell’antenna. Ciò è causato da un aumento dell’incremento dell’altezza della parete, che a sua volta provoca l’aumento del guadagno fino al punto di saturazione. Concludendo lo studio, gli autori scrivono: “Infine, le prestazioni delle antenne MIMO proposte vengono misurate e trovate per funzionare come previsto dallo strumento di simulazione numerica”.

L’articolo, ” Antenne MIMO a basso costo mm-Wave con funzionalità di commutazione del raggio fabbricate utilizzando la stampa 3D per sistemi di comunicazione 5G “, è scritto da Shaker Alkaraki, ricercatore post dottorato presso la Queen Mary University di Londra e Yue Gao, professore di comunicazioni wireless presso Institute for Communication Systems, Università del Surrey.

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