Исследователи разработали 3D-печатное устройство, которое генерирует закрученные световые лучи с орбитальным угловым моментом (OAM), формой вращательной энергии, которая может переносить больше данных, чем обычные лучи. Эффективные, компактные и недорогие генераторы вихревых лучей могут помочь повысить емкость и надежность будущих беспроводных систем.

«Растущий спрос на высокопроизводительные, помехоустойчивые системы связи в таких приложениях, как беспроводные сети 5G/6G, требует инновационных решений», — сказал руководитель исследовательской группы Цзяньсин Ли из Сианьского университета Цзяотун в Китае. «Хотя вихревые пучки, несущие OAM, потенциально могут повысить спектральную эффективность и пропускную способность связи, современные методы создания таких пучков сдерживаются низкой эффективностью, высокой стоимостью изготовления и уязвимостью к помехам от нежелательных частотных диапазонов».

В Optics Express исследователи описывают, как они использовали 3D-печать для создания генератора луча OAM , который может использоваться в качестве сложной антенной системы для усовершенствованной беспроводной связи. Устройство генерирует вихревые лучи высокой мощности и имеет встроенную функцию фильтрации усиления, которая усиливает желаемые сигналы, блокируя помехи для обеспечения четкой и эффективной передачи.

«Наш генератор пучка OAM особенно хорошо подходит для беспроводной связи 5G/6G, а также для дистанционного зондирования и визуализации», — сказал Юаньси Цао, корреспондент статьи. «Например, интеграция этого устройства в вышки связи может улучшить потоковую передачу и онлайн-подключение на больших мероприятиях, таких как музыкальные фестивали или спортивные мероприятия , где высокая плотность пользователей часто перегружает существующие сети, вызывая медленную скорость и разрывы соединений».

Интегрированная фильтрация сигнала

Новый 3D-печатный генератор пучка OAM использует интегрированный делитель мощности с фильтрацией усиления для равномерного разделения сигнала, а также для фильтрации нежелательных частот в источнике. Это минимизирует помехи и снижает потребность в дополнительных внешних компонентах. Исследователи также использовали заполненную воздухом цельнометаллическую структуру, чтобы избежать диэлектрических потерь, обеспечивая более высокую эффективность излучения и большую мощность.

Устройство работает, сначала разделяя входящий сигнал на восемь равных частей с помощью встроенного делителя мощности, который отфильтровывает ненужные частоты по пути. Затем каждый сигнал проходит через специальный путь, который регулирует фазу для достижения точного выравнивания, необходимого для создания вихревого луча. Наконец, сигналы передаются через круговую решетку антенн для создания вихревого луча с желаемыми свойствами.

Изготовление и тестирование

После проведения расширенного моделирования с целью точной настройки делителя мощности фильтрации для точной передачи внутриполосного сигнала и эффективного подавления внеполосных сигналов исследователи использовали селективную лазерную плавку для 3D-печати прототипа устройства с использованием алюминиевого сплава, известного своей высокой точностью и низкой шероховатостью поверхности.

«Мы изготовили устройство как монолитную конструкцию с использованием технологии селективного лазерного плавления 3D-печати», — сказал Цао. «Это устраняет необходимость в сборке, снижает производственные затраты и обеспечивает точное выравнивание компонентов — все это имеет решающее значение для высокочастотных приложений».

Экспериментальные испытания подтвердили, что прототип устройства достиг желаемых характеристик пучка с чистотой моды около 80%. Он также продемонстрировал высокое подавление внеполосных излучений, превышающее 30 дБ, что значительно снижает помехи и обеспечивает чистую передачу сигнала.

Исследователи сейчас работают над повышением производительности OEM-генератора луча за счет улучшения коэффициента усиления, эффективности и фильтрации сигнала. Они также хотят расширить потенциальные приложения, исследуя многорежимную генерацию OAM и тестируя ее в более широких диапазонах частот, таких как терагерцовая связь. Исследователи отмечают, что коммерциализация устройства потребует усовершенствования 3D-печати для масштабируемости, интеграции ее с существующими системами, обеспечения соответствия нормативным требованиям и проверки производительности в реальных приложениях, таких как 5G и спутниковая связь.