Kootud antennid – võta signaale vastu kasvõi kampsuniga!

Kangatööstus siseneb antennimaailma: Columbia ülikooli teadlased leidsid tehnika riideesemetesse võimsate antennide kudumiseks. Foto: Nanfang Yu, / Columbia ülikool

Käpikutesse saab seekord päikese asemel kududa hoopis ülikergest ja paindlikust materjalist antenne, mis suudavad edastada raadiosignaale ja tõotavad revolutsiooni sidevahendite vallas, tõestasid Columbia ülikooli teadlased.

Kujuta ette, et tavalistele haralistele katuseantennidele omased raadiosageduslikud omadused on kootud kergesse ja kaasaskantavasse riideesemesse — näiteks kampsunisse või tekki. Sellist seadet oleks üsna lihtne kokku voltida ja kaasa võtta, tagades hõlpsama side nii tavalistele inimestele, sõjavä​elastele kui ka profikasutajatele kaugetes piirkondades.

Columbia ülikooli inseneriteaduste meeskond on välja töötanud ainulaadsed uutmoodi raadiosageduslikud antennid, mis on kerged, painduvad ja lihtsasti paigaldatavad. Kasutades nn metapindade tehnoloogiat ning tasapinnalise kudumise platvormi, lõid teadlased taskukohase ja laiendatava lahenduse, mida saab üllatuslikult toota ka täitsa tavaliste kudumismasinate abil.

Töö tulemused, mille juhtivautoriks oli rakendusfüüsika ja matemaatika dotsent Nanfang Yu, avaldati ajakirjas Advanced Materials.

Miks just kudumine?

Tavalised raadioantennid on jäigad, suured ja rasked. Kuigi nende signaalivastuvõtt on tipptasemel, on neid sageli keeruline toota ja kasutada.

Varasemad katsed teha paindlikke antenne näiteks trükkides tekstiilidele juhtivaid materjale on toonud kaasa probleeme, nagu pragunemine ja madal tootmismaht.

Yu ja tema meeskond otsustasid uurida kudumist ja kangastelgesid ehk tavalisi mustriliste tekstiilide valmistamise tehnikaid, et leida viis, kuidas integreerida antennide keerukad mustrid otse kanga sisse. Uuenduslik lähenemine, mida nimetatakse float-jacquard kudumiseks, ühendab metall- ja dielektrilised lõngad kudumise käigus, võimaldades antennide mustrite loomist ilma eraldi midagi lisamata.

Ajalooline Fääri saarte kudumistehnika ja uued prototüübid

Teadlased kasutasid traditsioonilist float-jacquard kudumistehnikat, mida on tihti nähtud Fääri ja Shetlandi saarte kampsunites. See tehnika hõlmab mitme erineva lõnga kasutamist, kusjuures üks lõng kulgeb kangas tagapool, kuni seda mustris väljaspool taas vajatakse.

Need Fääri saarte kampsunid võivad varsti aidata ka näiteks Wi-Fi signaali võimendada. Foto: Julian Paren / Wikimedia Commons

Selle meetodiga loodi kaks prototüüpi: metalääts ja keeriskiirte (vortex beam) seade. Sidudes vajaliku antennimustri kudumisprotsessi, parandas meeskond tekstiilitehnoloogias antennide kvaliteeti, vähendas tavalisi defekte ja suurendas võimsust.

Näiteks õnnestus ühe prototüübi kudumine lõpetada vaid 45 minutiga.

Uurimistöö andis häid tulemusi: kampsun sobib antenniks

Katsetes näidati, et metalääts, töötades vastuvõtva antennina, koondab laine kitsaks difraktsioonipunktiks. Saatva antennina teisendab see tavaliselt hajusalt kiirgava laine tugevalt suunatud kiireks. Keeriskiire genereeriv kudum laseb luua erilise lainerindega kiiri, mis kannab sõltumatut infokanalit. Selle omadusega võib kommunikatsioonikanalite efektiivsus kahekordistuda.

Prototüübid säilitasid oma omadused ka pärast korduvat pesemist ja venitamist, kinnitades, et tehnoloogia on vastupidav ja praktiline.

Tulevik: multifunktsionaalne riietus

Edasistes uuringutes plaanitakse kasutada mitmesuguseid moodsaid kudumistehnikaid, et luua keerukamaid multifunktsionaalseid kangaid. Need võiksid sisaldada mehaanilisi hinge- või voltimispunkte ning integreeritud elektroonikaseadmeid, mis muudaksid kanga omadusi vastavalt vajadusele.

Tänu tasapinnalise kudumise laiendatavusele saab toota kergeid ja kokkupandavaid antenne, mille apertuur võib ulatuda meetritesse — see on näiteks ideaalne lahendus satelliitidele, mis vajavad suure võimsusega sidesüsteeme.

Yu sõnul on nende seadmed toodetud taskukohastest ja laialt kättesaadavatest lõngadest, kasutades olemasolevat kudumistehnoloogiat. Ta lisas, et selline lahendus lubab luua isegi esteetiliselt meeldivaid ja funktsionaalseid rõivaid, näiteks kampsunit, mis toimib Wi-Fi signaali võimendina.

Uuenduslik kudumistehnika avab seega tee kergete, painduvate ja tõhusate antennide arendamiseks, ühendades traditsioonilise kudumise ja nüüdisaegse teaduse, pakkudes lahendusi nii side kui ka kosmosetööstuse jaoks. Seega võib lasta vanaemal oma järgmise kampsuni sisse kududa ka võimsa Wi-Fi antennivõimendi.