ابداع دانشمندان: تولید چاپ سه‌بعدی ژنراتور پرتو گرداب ارزان

توسعه دستگاهی جدید برای تولید پرتوهای نوری چرخشی

محققان دستگاهی با فناوری چاپ سه‌بعدی طراحی کرده‌اند که پرتوهای نوری چرخشی با مومنتوم زاویه‌ای مداری (OAM) تولید می‌کند. این نوع انرژی چرخشی می‌تواند اطلاعات بیشتری نسبت به پرتوهای معمولی حمل کند. تولیدکنندگان پرتوهای گردابی با کارایی بالا، جمع و جور و کم‌هزینه می‌توانند به افزایش ظرفیت و قابلیت اطمینان سیستم‌های بی‌سیم آینده کمک کنند.

جیانشینگ لی، رهبر تیم تحقیقاتی از دانشگاه جیائوتونگ شی‌آن در چین، گفت: “تقاضای روزافزون برای سیستم‌های ارتباطی با ظرفیت بالا و مقاوم در برابر تداخل در کاربردهایی مانند شبکه‌های بی‌سیم 5G و 6G نیازمند راه‌حل‌های نوآورانه است.” وی افزود: “اگرچه پرتوهای گردابی با OAM می‌توانند به طور بالقوه کارایی طیفی و ظرفیت ارتباطی را افزایش دهند، اما روش‌های کنونی برای تولید این پرتوها با چالش‌هایی مانند کارایی پایین، هزینه‌های بالا و آسیب‌پذیری در برابر تداخل از باندهای فرکانسی ناخواسته مواجه هستند.”

تولید پرتوهای گردابی با استفاده از چاپ سه‌بعدی

در مجله Optics Express از گروه انتشاراتی اپتیکا، محققان توضیح می‌دهند که چگونه از چاپ سه‌بعدی برای ایجاد یک تولیدکننده پرتو OAM استفاده کرده‌اند که می‌تواند به عنوان یک سیستم آنتن پیشرفته برای ارتباطات بی‌سیم به کار رود. این دستگاه پرتوهای گردابی با ظرفیت بالا تولید می‌کند و دارای ویژگی فیلتر تقویتی یکپارچه است که سیگنال‌های مطلوب را تقویت کرده و تداخل را مسدود می‌کند تا انتقالی واضح و کارآمد فراهم کند.

یوانکسی کائو، نویسنده مسئول مقاله، گفت: “تولیدکننده پرتو OAM ما به‌ویژه برای ارتباطات بی‌سیم 5G و 6G و همچنین حسگرهای از راه دور و تصویربرداری مناسب است.” وی افزود: “برای مثال، ادغام این دستگاه در برج‌های ارتباطی می‌تواند به بهبود پخش زنده و اتصال آنلاین در تجمعات بزرگ مانند جشنواره‌های موسیقی یا رویدادهای ورزشی کمک کند، جایی که تراکم بالای کاربران معمولاً شبکه‌های موجود را تحت فشار قرار داده و منجر به کاهش سرعت و قطع ارتباط می‌شود.”

فیلتر سیگنال یکپارچه

تولیدکننده پرتو OAM جدید با فناوری چاپ سه‌بعدی از یک تقسیم‌کننده قدرت فیلتر تقویتی یکپارچه استفاده می‌کند تا سیگنال را به طور یکنواخت تقسیم کرده و همچنین فرکانس‌های ناخواسته را در منبع فیلتر کند. این ویژگی تداخل را به حداقل می‌رساند و نیاز به اجزای خارجی اضافی را کاهش می‌دهد.

تحقیقات جدید در زمینه تولید پرتوهای وورتکس

محققان برای جلوگیری از تلفات دی الکتریک، از یک ساختار تمام فلزی پر از هوا استفاده کردند که این امر به افزایش کارایی تابش و ظرفیت بالای توان کمک می‌کند. این دستگاه ابتدا سیگنال ورودی را به هشت قسمت مساوی تقسیم کرده و از یک تقسیم‌کننده توان داخلی استفاده می‌کند که در طول مسیر، فرکانس‌های غیرضروری را فیلتر می‌نماید. سپس هر سیگنال از یک مسیر ویژه عبور می‌کند که فاز را تنظیم می‌سازد تا تراز دقیقی برای ایجاد پرتو وورتکس به دست آید. در نهایت، سیگنال‌ها از طریق یک آرایه دایره‌ای از آنتن‌ها منتقل می‌شوند تا پرتو وورتکسی با ویژگی‌های مورد نظر تولید کنند.

ساخت و آزمایش

پس از انجام شبیه‌سازی‌های پیشرفته برای تنظیم دقیق تقسیم‌کننده توان فیلترکننده به منظور انتقال سیگنال در باند و سرکوب مؤثر سیگنال‌های خارج از باند، محققان از فناوری ذوب لیزری انتخابی برای چاپ سه‌بعدی یک نمونه اولیه با استفاده از آلیاژ آلومینیوم که به دقت بالا و زبری سطح کم معروف است، بهره‌برداری کردند. کائو گفت: “ما دستگاه را به عنوان یک ساختار یکپارچه با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی ذوب لیزری انتخابی ساخته‌ایم.” او افزود: “این امر نیاز به مونتاژ را از بین می‌برد، هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد و تراز دقیق اجزا را تضمین می‌کند که همه اینها برای کاربردهای فرکانس بالا حیاتی هستند.”

آزمایش‌های تجربی تأیید کردند که نمونه اولیه دستگاه، ویژگی‌های پرتو مورد نظر را با خلوص مدی حدود 80% به دست آورده است. همچنین این دستگاه سرکوب بالای سیگنال‌های خارج از باند را نشان داد که بیش از 30 دسی‌بل بود و این امر به طور قابل توجهی تداخل را کاهش می‌دهد و انتقال سیگنال تمیز را تضمین می‌کند.

توسعه‌های آینده

محققان در حال حاضر در تلاشند تا عملکرد تولیدکننده پرتو OEM را با بهبود بهره‌وری، کارایی و فیلتر کردن سیگنال ارتقا دهند. آنها همچنین می‌خواهند با بررسی تولید چند حالته OAM و آزمایش آن در دامنه‌های فرکانسی وسیع‌تر، مانند ارتباطات تراهرتز، کاربردهای بالقوه را گسترش دهند. محققان اشاره می‌کنند که تجاری‌سازی این دستگاه نیاز به بهبود چاپ سه‌بعدی برای مقیاس‌پذیری، ادغام آن با سیستم‌های موجود، اطمینان از رعایت مقررات و اعتبارسنجی عملکرد در کاربردهای واقعی مانند 5G و ارتباطات ماهواره‌ای دارد.