Les antennes à modification électromécanique changent la communication

Dans le cas des applications sans fil militaires, éviter des blocages et assurer la fréquence et les protocoles de fonctionnement les plus fiables possibles est essentiel durant des situations de mise en œuvre très critiques. Dans le cas des applications IoT/M2M, réaliser l'accord d'un appareil sur une bande de fréquences moins chargée, rapidement et de manière fiable, peut permettre d'assurer une qualité de niveau opérateur de télécommunications, dans un monde sans fil bruyant et bondé. Des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord, ont réalisé une percée importante en créant des antennes en métal liquide contrôlées de manière purement électromécanique et qui ont la capacité d'ajuster leur fréquence résonnante sur plusieurs gigahertz.

De nombreuses innovations dans le domaine des matériaux et de la technologies sont nécessaires pour ouvrir la voie à l'âge connecté et pour créer une connectivité sans fil transparente. Un objectif principal de la recherche et de l'effort industriel a été le développement de systèmes de communications RF qui peuvent être reprogrammés numériquement, et même prendre des décisions sur la meilleure façon de fonctionner. Ces appareils sont appelés des radios cognitives, et une composante d'entre elles, les radios logicielles (SDR) - comme l'ADC34J22 de Dallas Logic ou l'ARRadio de Analog Device - tirent parti de techniques informatiques de pointe pour donner lieu à des systèmes de radio intelligents. Bien que ces systèmes de communication puissent s'adapter à une variété de modulation et de variables environnementales électromagnétiques (EM), les limites de réglage du matériel finissent par restreindre la performance des transmetteurs FR, critiques pour ces systèmes.

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L'avènement des conducteurs liquides contrôlables a été exploré avec enthousiasme par de nombreux chercheurs pour créer des composants et des appareils RF qui peuvent être utilisés pour créer des systèmes hautement accordables. Bien que les filtres, surfaces de fréquence sélectives (FSS) et antennes développées par ces chercheurs aient fait la preuve de leur configurabilité, la plupart d'entre eux nécessitent des systèmes pneumatiques pour fonctionner. Intégrer un système pneumatique augmente la complexité, les coûts et les possibilités de panne potentielles d'un appareil. Mais, avec une antenne électromécanique contrôlable, la vitesse, la précision, la fidélité des mesures et la plage d'accord d'une antenne liquide pourrait être grandement améliorées. Cela a été expérimenté par les chercheurs de l'État de Caroline du Nord, quand ils ont été en mesure de développer un prototype d'antenne métallique liquide de Gallium Indium eutectique (EGaIn) au sein d'une structure capillaire.



Figure 2 : La polarisation continue appliquée aux bornes de la structure capillaire permet au métal liquide EGaIn de couler dans le capillaire lorsqu'une tension est appliquée, et de se rétracter lorsque la tension est supprimée. (Source : J. Appl. Phys. 117, 194901 (2015))

Utilisant une polarisation continue basse tension, l'antenne EGaIn peut être accordée de manière continue et réversible dans une plage de réglage 5:1. Ceci est réalisé en ajoutant ou en supprimant un oxyde de surface mince sur le matériau EGaIn en utilisant le potentiel électrique, qui manipule les tensions interfaciales de manière variable le long du capillaire. La création de cet oxyde n'est rendue possible que par l'inclusion d'un électrolyte au sein du capillaire qui empêche le développement permanent et l'adhérence de l'oxyde EGaIn aux parois du capillaire. Le potentiel continue appliqué à ce système est ce qui fait couler l'EGaIn à l'intérieur ou à l'extérieur d'un réservoir rempli de ce métal liquide.



Figure 3 : le processus de commande électromécanique permet un accord totalement réversible et un comportement cohérent, contrairement à de nombreuses technologies d'accord avec effets de mémoire. (Source : J. Appl. Phys. 117, 194901 (2015))

Le rendement global constaté à 0,66 GHz était de 41 pour cent avec 70 pour cent des rendements observés à 3.4 GHz. La comparaison est défavorable par rapport à l'efficacité de rayonnement d'environ 95 pour cent des antennes dipôles avec structures métalliques pures. 

Cependant, l'efficacité du rayonnement est réduite quand une antenne n'est pas correctement accordée ou ne résonne pas à la fréquence d'émission ou de réception. Bien que la conductivité de la solution électrolyte de ce prototype - de l'hydroxyde de sodium (NaOH) - réduit l'efficacité globale de rayonnement de l'antenne, le potentiel de développement futur d'électrolytes avec un impact inférieur sur l'efficacité à celui du NaOH peut être viable au fur et à mesure que la recherche avance.



Figure 4 : bien que l'efficacité de rayonnement du prototype ait été réduite par le comportement non optimal de l'électrolyte, des développements futurs pourraient améliorer l'efficacité et les paramètres d'accordabilité de l'antenne de métal liquide. (Source : J. Appl. Phys. 117, 194901 (2015))

Cette évolution et ces progrès futurs ont le potentiel de créer des structures d'antenne - qu'elles soient simples ou très complexes - qui peuvent être utilisées avec des SDR (radios définies par le logiciel) pour développer du matériel et des logiciels de systèmes FR hautement configurables et de communication micro-ondes. Par exemple, le prototype mis au point par les chercheurs de l'Université de l'état de Caroline du nord axé sur une antenne dipôle unique, qui permet d'envisager potentiellement de disposer de réseaux configurables à base de telles antennes et pourrait considérablement améliorer l'utilité de la technologie des réseaux actuels d'antennes. 

Les antennes qui modifient leurs modèles de rayonnement de manière significative pour s'adapter à différents environnements électromagnétiques constituent des possibilités supplémentaires, sous forme de l'orientation de faisceau électromécanique sans composante matérielle dans les éléments de commande de l'antenne. Un tel système pourrait réduire le coût et la complexité des applications d'orientation de faisceau qui peuvent nécessiter beaucoup d'électronique pour diviser ou combiner la puissance ou équilibrer la phase ou l'amplitude.

Les conceptions actuelles de smartphones et d'appareils électroniques portables, comportent généralement plusieurs conceptions d'antennes inefficaces qui sont soumises à des contraintes très strictes de conception de la part du facteur forme et de l'antenne de proximité. Une antenne reconfigurable réglable sur une large gamme de fréquences peut être utilisée pour optimiser la fréquence la plus efficace pour les communications et réduire considérablement la consommation électrique et le coût du filtrage et d'appariement aux réseaux de l'appareil.

Bien que la reconfiguration numérique ait démontré sa viabilité dans les industries de communication FR et à base de micro-ondes, le matériel reconfigurable a été historiquement moins accessible. Le coût et la complexité ont été un facteur important dans l'adoption de matériel reconfigurable efficace et efficient. Les antennes de métal liquide avec commande électromécanique peuvent offrir une dimension de configurabilité nécessaire et rendre possibles des applications allant des applications commerciales et industrielles de l'IoT/M2M jusqu'aux demandes les plus récentes de réseau sans fil militaire et de guerre électronique (EW, Electronic Warfare).