Een nieuwe antenne die gebruik maakt van zout water en plastic in plaats van metaal om radiogolven te bundelen zou wel eens het bouwen van netwerken voor VHF en UHF signalen een stuk makkelijker kunnen maken.
Als je de mogelijkheid hebt om de energie van een radiosignaal te bundelen in de richting van de ontvanger, dan betekent dat dat je het bereik en de efficientie van de verbinding kunt verbeteren. Weet je de locatie van een ontvanger en ben je er zeker van dat de ontvanger op zijn plaats blijft, dan kan je eenvoudigweg een richtantenne gebruiken en die op de ontvanger richten. Maar als de locatie van de ontvanger niet zeker is, of als de ontvanger beweegt, of als je op een ander ontvangststation wil richten, dan wordt het een stuk lastiger. In dat geval vallen techneuten vaak terug op een techniek die beam-steering of beamforming genoemd wordt, en dat is op grote schaal het onderliggende mechanisme achter de uitrol van 5G netwerken.
Beam-steering stelt je in staat om de antenne te richten zonder dat je deze mechanisch rond hoeft te laten draaien, zoals wij doen met een rotor. Er wordt gebruik gemaakt van het aanpassen van de relatieve fase van een set radiogolven binnen de antenne: deze golven werken of samen of elkaar tegen, waarbij ze uitdoven in de ongewenste richting en elkaar juist versterken in de gewenste richting waar je het signaal juist heen wil sturen. Andere stralingspatronen zijn ook mogelijk — je zou bijvoorbeeld een bredere bundel willen hebben als je hetzelfde signaal naar meerdere ontvangers in een gegeven richting zou willen sturen, of een smallere bundel als je maar tegen één ontvanger praat.
Onderzoekers hebben nu een geavanceerd vloeistof-gebaseerd antennesysteem ontwikkeld dat gebruik maakt van een algemeen beschikbare grondstof: zout water.
De configuratie voorziet in 360-graden beam-steering en werkt voor frequenties tussen 334 en 488 MHz.
Voor de critici: dit is niet de eerste vloeistof antenne: Deze antennes, die een vloeistof gebruiken voor het zenden en ontvangen van radiosignalen kunnen van pas komen in situaties waar VHF of UHF frequenties gebruikt moeten worden (frequenties tussen 30 MegaHertz en 3 GigaHertz). Die zijn doorgaans klein, doorzichtig en makkelijker in te stellen dan conventionele metalen antennes. Om deze redenen worden ze wel experimenteel toegepast in sommige internet of things (IoT) en 5G applicaties.
Vloeistof antennes die werken met zout water hebben nog meer voordelen, aangezien zout water overal aanwezig is, goedkoop is en milieu vriendelijk. Diverse zoutwater antennes zijn al ontwikkeld, maar deze ontwerpen zijn beperkt in de manier waarop ze bundels kunnen maken en hoe je die aan kunt passen.
Maar in een recente publicatie in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters hebben Lei Xing en haar collega's van het College of Electronic and Information Engineering van de Universiteit van Nanjing in China een nieuwe zoutwater antenne voorgesteld die 12 directionele beam-steering richtingen kent en één omnidirectionele toestand. De circulaire configuratie maakt een complete 360-degree beam-steering mogelijk en werkt voor frequenties tussen 334 en 488 MHz.
Het voorgestelde ontwerp bestaat uit een cirkelvormige basis met daarop 13 doorzichtige buizen die waar nodig gevuld kunnen worden met zout water. Een buis zit in het midden en dient als gevoede monopool (het radio signaal wordt toegevoerd via een koperen schijf onder in de buis). Daaromheen staan 12 zogenaamde parasitaire monopolen. Als alleen de gevoede monopool signaal krijgt, heb je een omni-directioneel signaal. Maar de 12 andere monopolen werken samen als reflectors zodra ze met zout water gevuld worden en daardoor ontstaat het richtingseffect.
“Het meest uitdagende deel van het ontwerp is hoe de antenne effectief en efficient met het water in de parasitaire monopolen gecontroleerd kan worden,” verklaart Xing. Om dat te realiseren ontwikkelde haar team een vloeistof besturingssysteem dat gebruik maakt van micro pompen, dat ook toegepast kan worden in andere vloeistof antennes of antenne arrays.
“Het aantrekkelijke van het gebruik van water monopolen is dat zowel de hoogte van het water als de activering dynamisch gecontroleerd kan worden door micro-vloeistof technieken die een grotere ontwerp flexibiliteit hebben dan metalen antennes,” legt Xing uit. “En nog belangrijker: de antenne kan helemaal "uitgeschakeld" worden als hij niet gebruikt wordt.”
Als de antenne namelijk helemaal uitgeschakeld (en dus leeggepompt) is, is deze bijna niet de detecteren door radar. En dat is met metalen antennes bijna niet te realiseren.
De werkfrequentie van 334 MHz tot 488 MHz van de nieuwe antenne maakt het een veelbelovende kandidaat voor VHF toepassingen zoals IoT en maritiem gebruik, zegt Xing. Ze merkt wel op dat een beperking van de zoutwater antennes is dat de Diëlectrische constante van zout water (de mate waarin het zoute water reageert op elektrische velden) gevoelig is voor temperatuur variaties. Xing zegt dat ze van plan is om de diverse vloeistof-gebaseerde antennes verder te ontwikkelen.