Le antenne a movimento elettromeccanico cambiano la comunicazione

Per applicazioni wireless militari, la possibilità di evitare jamming e di garantire la frequenza e i protocolli di operazione più affidabili sono essenziali nelle implementazioni a elevata criticità. Per applicazioni IoT/M2M, la sintonizzazione rapida e affidabile di un dispositivo su una banda di frequenze meno oberata può garantire una qualità di classe carrier in un mondo wireless affollato e pieno di interferenze. I ricercatori della NC State University nel North Carolina hanno raggiunto un risultato estremamente significativo con la creazione di antenne in metallo liquido controllate esclusivamente elettromeccanicamente che hanno la possibilità di regolare la propria frequenza di risonanza su diversi gigahertz.

Molte innovazioni tecnologiche e di materiali sono necessarie per farsi strada nell'era connessa e per creare una connettività wireless senza soluzione di continuità. Uno degli obiettivi principali della ricerca e dell'industria del settore è costituito dallo sviluppo di sistemi di comunicazioni RF che possano essere riprogrammati e perfino prendere decisioni su come operare al meglio. Questi dispositivi, denominati radio cognitive, e uno dei loro componenti, i sistemi radio definiti via software (SDR, Software-Defined Radio), come ADC34J22 di Dallas Logic o ARRadio di Analog Device, utilizzano tecniche informatiche sofisticate per attivare sistemi radio intelligenti. Anche se questi sistemi di comunicazione possono adattarsi a un'ampia gamma di variabili ambientali elettromagnetiche (EM) e di modulazione, in ultima istanza i limiti nell'hardware regolabile limitano le prestazioni dei ricetrasmettitori RF critici in tali sistemi.

Le potenzialità dei nuovi liquidi conduttivi controllabili sono state esplorate con entusiasmo da molti ricercatori al fine di creare dispositivi e componenti RF che possano essere utilizzati per realizzare sistemi altamente regolabili. Anche se i filtri, la frequenza, le superfici selettive (FSS) e le antenne sviluppati da questi ricercatori si sono dimostrati configurabili, l'esecuzione della maggior parte di essi richiede l'impiego di sistemi penumatici. L'integrazione di un sistema pneumatico aumenta la complessità, i costi e le modalità di errore potenziali di un dispositivo. Tuttavia, con un'antenna controllabile elettronicamente, la velocità, l'accuratezza, la ripetibilità e il campo di sintonizzazione di un'antenna liquida potrebbero aumentare considerevolmente. È quanto hanno notato i ricercatori presso la NC State quando sono riusciti a sviluppare il prototipo di un'antenna in metallo liquido da una lega eutettica di gallio e indio (EGaIn, Eutectic Gallium-Indium) in una struttura capillare.



Figura 2: la polarizzazione CC applicata sulla struttura capillare consente al metallo liquido EGaIn di fluire nel capillare in cui viene applicata la tensione e di refluire alla scomparsa della tensione. (Fonte: J. Appl. Phys. 117, 194901 (2015))

Utilizzando una semplice polarizzazione CC a bassa tensione, l'antenna EGaIn può essere sintonizzata in modo continuo e reversibile su un campo di sintonizzazione 5:1. Questa operazione viene effettuata mediante l'aggiunta o la rimozione di uno strato sottile di ossido sul materiale EGaIn utilizzando il potenziale elettrico, che manipola in modo variabile le tensioni di interfaccia lungo il capillare. La creazione di questo ossido è possibile unicamente grazie all'inclusione di un elettrolita all'interno del capillare che impedisce lo sviluppo e l'adesione permanente dell'ossido EGaIn sulle pareti del capillare. Il potenziale CC applicato a questo sistema è la forza che attrae EGaIn all'interno e al di fuori del serbatoio riempito con tale sostanza.



Figura 3: il processo di controllo elettromeccanico consente una sintonizzazione completamente reversibile e un comportamento uniforme, a differenza di molte tecnologie di sintonizzazione con effetti memoria. (Fonte: J. Appl. Phys. 117, 194901 (2015))

L'efficienza complessiva a 0,66 GHz è stata del 41 percento e del 70 percento a 3,4 GHz, risultati scarsi rispetto all'efficienza di radiazione di circa il 95 percento delle antenne dipolo con strutture in metallo puro. 

Tuttavia, l'efficienza di radiazione è ridotta quando un'antenna non è sintonizzata correttamente o è risonante alla frequenza di trasmissione o ricezione. Anche se la conduttività della soluzione elettrolita, idrossido di sodio (NaOH), in questo prototipo ha ridotto l'efficienza di radiazione complessiva dell'antenna, in futuro la ricerca potrebbe individuare e sviluppare elettroliti con inferiore impatto sull'efficienza rispetto all'NaOH.



Figura 4: anche se l'efficienza di radiazione nel prototipo è stata ridotta a causa di un comportamento non ideale dell'elettrolita, lo sviluppo futuro potrebbe aumentare i parametri di efficienza e sintonizzabilità dell'antenna in metallo liquido. (Fonte: J. Appl. Phys. 117, 194901 (2015))

In questo sviluppo e nei miglioramenti futuri sono insite le potenzialità per creare strutture di antenne, sia semplici che estremamente complesse, utilizzabili con SDR al fine di sviluppare hardware e software per sistemi di comunicazioni RF e microonde a elevata configurabilità. Ad esempio, il prototipo sviluppato dai ricercatori della NC State University era incentrato su una singola antenna dipolo, ma il potenziale per una gamma riconfigurabile di tali antenne potrebbe aumentare notevolmente l'utilità dell'attuale tecnologia di gamma delle antenne. 

Altre possibilità includono antenne che cambiano in modo significativo i propri modelli di radiazione per adattarsi ad ambienti EM diversi, come una sorta di orientamento del fascio elettromeccanico che non produce manufatti negli elementi di controllo dell'antenna. Un sistema simile potrebbe ridurre i costi e la complessità delle applicazioni di orientamento dei fasci che potrebbero richiedere molti combinatori/ripartitori ed elettronica di bilanciamento di ampiezza/fase.

In genere, i progetti attuali di smartphone e dispositivi elettronici portatili contengono diversi progetti di antenne inefficienti soggetti a vincoli progettuali molto rigidi dal fattore di forma e dalla prossimità dell'antenna all'interno del dispositivo. Un'antenna riconfigurabile regolabile su un'ampia gamma di frequenze potrebbe essere utilizzata per ottimizzare la frequenza più efficiente per le comunicazioni e ridurre notevolmente il consumo energetico e i costi di filtro e corrispondenza di reti sul dispositivo.

Anche se le ricerche hanno dimostrato che la riconfigurabilità digitale è realizzabile nei settori della comunicazione RF e microonde, storicamente l'hardware riconfigurabile è meno accessibile. I costi e la complessità sono stati fattori determinanti nell'adozione di hardware riconfigurabile efficiente ed efficace. Le antenne in metallo liquido con controllo elettromeccanico potrebbero offrire una dimensione di configurabilità necessaria e consentire applicazioni da IoT/M2M commerciali e industriali alle richieste più recenti di reti wireless e guerra elettronica (EW, Electronic Warfare) in ambito militare.