Descubra las posibilidades de la tecnología de antenas impresas en 3D
Hoy en día, casi todos los dispositivos electrónicos personales dependen de antenas para enviar y recibir datos. De hecho, también está aumentando la demanda de antenas ligeras para nuevas aplicaciones, incluidas las últimas redes 5G/6G, dispositivos portátiles avanzados y aplicaciones aeroespaciales como los CubeSats. Sin embargo, las técnicas de fabricación estándar han limitado la complejidad estructural y el uso de múltiples materiales que permitirían obtener aún más funciones y capacidades de las antenas.
Ahora, un equipo dirigido por Xiaoyu (Rayne) Zheng, profesora asociada en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UC Berkeley y codirectora de la facultad del Centro de Sensores y Actuadores de Berkeley (BSAC) y el Instituto Jacobs para la Innovación en Diseño, ha desarrollado una nueva plataforma de fabricación aditiva/impresión 3D que ofrece «una flexibilidad incomparable en el diseño de antenas y la capacidad de imprimir rápidamente estructuras de antena complejas».
Como se informó en el último número de Nature Communications, la nueva plataforma, denominada impresión 3D multimaterial con programación de carga (CPD), es un sistema universal para la producción rápida de casi todos los sistemas de antenas 3D. Puede crear patrones de metales altamente conductores con una amplia gama de materiales dieléctricos en un diseño 3D.
Zheng enfatizó que la plataforma no es una impresora 3D costosa para metales que implicaría polvos metálicos costosos y láseres de alta energía. “Esta tecnología se puede aplicar a impresoras basadas en luz que se puedan usar en computadoras de escritorio”, dijo.
El método CPD combina una impresora 3D de luz digital de escritorio y una tecnología basada en catalizadores que puede modelar diferentes polímeros en diferentes lugares donde atraerán el recubrimiento metálico. Su tecnología de recubrimiento selectivo o autocatalítico permite que los polímeros absorban selectivamente iones metálicos en lugares prescritos que están definidos por el resultado deseado del diseño de la antena.
Zheng afirmó que el CPD puede integrarse ampliamente con una variedad de métodos de impresión 3D de múltiples materiales. “Permite prácticamente cualquier estructura 3D compleja, incluidas las redes complejas, y ha demostrado la deposición de cobre con una conductividad casi prístina, así como materiales magnéticos, semiconductores, nanomateriales y combinaciones de estos”.
Un conjunto de transmisores de fase de gradiente fabricado con CPD para generar radiación altamente direccional. La antena presenta tres capas de celdas unitarias con diseño de anillo en S con inclinación gradual. (Imagen cortesía de los investigadores)
Zheng ha estado trabajando en la plataforma CPD desde 2019, cuando su grupo ideó el concepto por primera vez. En 2020, su equipo publicó su primer artículo en Nature Electronics sobre esta tecnología, seguido de un artículo en Science en 2022 que describía su uso para fabricar microrobots.
Este último artículo es específico para la aplicación de antenas. El CPD, dijo Zheng, es “muy adecuado para antenas, porque casi todas las antenas necesitan dos componentes: uno es la fase metálica, el conductor, y el otro es la fase dieléctrica, que no es conductora, y [hasta ahora] no ha habido ninguna tecnología capaz de modelar o sintetizar directamente los materiales conductores y dieléctricos juntos”.
Zheng explicó que la primera aplicación que consideraron fue en antenas. Después de discutir la tecnología con colegas que se especializan en este área, se dieron cuenta de que esta técnica podría revolucionar la forma en que se imprimen las antenas y abrir muchas nuevas posibilidades de diseño.
La impresión tanto del conductor (metal) como de los materiales dieléctricos es especialmente importante para las antenas que se van a utilizar en entornos extremos. Por ejemplo, Zheng dijo que “no se puede utilizar un polímero normal en el espacio. Se necesita un polímero de alta temperatura como el Kapton, que es un buen material en la industria aeroespacial [estable tanto a temperaturas muy altas como muy bajas]. Ahora se puede tener Kapton y un patrón de trazas de metal entrelazadas en 3D al mismo tiempo”.
El equipo también ha demostrado que mediante diseños 3D adecuados, estas antenas, sin tener que asentarse sobre un sustrato voluminoso, consiguen un importante ahorro de peso en comparación con las antenas actuales.
El coautor Yahya Rahmat-Samii, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la UCLA, cree que la plataforma CPD podría ampliar significativamente las posibilidades de nuevas tecnologías de antena y permitir diseños basados en datos, lo que permitiría diseños de antenas listos para usar para diversas aplicaciones. «Probablemente existan numerosas estructuras de antena diferentes, según la aplicación que tenga en mente», dijo.
Una antena eléctricamente pequeña implantable y plegada en 3D que presenta espirales de Arquímedes y curvas de Hilbert interpenetradas. (Imagen cortesía de los investigadores)
Zheng y Rahmat-Samii quieren explorar ahora toda la complejidad del diseño de antenas que se puede lograr con su nueva tecnología de antenas impresas en 3D. El control de la complejidad de una antena les da el control sobre la capacidad de dar forma a las ondas electromagnéticas, de forma muy similar a como un pintor controla la aplicación de pintura con un pincel. Con el objetivo de promover las aplicaciones de esta tecnología, el equipo de la UC Berkeley ha formado una empresa emergente centrada en sensores médicos flexibles que se adaptarían, por ejemplo, a la forma de una mano.
“Podemos lograr una antena sintonizable”, dijo Zheng. “Y ahora la pregunta es, ¿dónde puede ayudarnos mejor esa tecnología? Universidad de Berkeley News. Traducido al español
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