COLUMBIA – Hãy tưởng tượng việc sử dụng các đặc tính tần số vô tuyến của ăng-ten parabol (dish antenna) (1) trên mái nhà và đan chúng thành một loại trang phục có thể mặc được – một chiếc áo len hoặc một chiếc mền siêu nhẹ, dễ mang theo, dễ xếp lại và cất đi.
(1) Ăng-ten parabol: là ăng-ten sử dụng gương phản xạ parabol, bề mặt cong có hình dạng mặt cắt ngang của parabol, để định hướng sóng vô tuyến.

Việc không phải sử dụng các ăng-ten vệ tinh cồng kềnh và nặng nề, sẽ giúp khả năng liên lạc trở nên dễ dàng hơn đối với những người sống hoặc đi du lịch ở những vùng đất xa xôi – một ăng-ten trọng lượng nhẹ, linh hoạt, có thể gửi thông tin qua khoảng cách xa, sẽ là một công cụ hữu ích cho cả khu vực công cộng và tư nhân.

Một nhóm nghiên cứu Columbia đã công bố rằng, họ đã sử dụng chuyên môn của mình về siêu bề mặt – các thành phần quang học siêu mỏng có thể kiểm soát sự lan truyền của ánh sáng – và một bề mặt đan phẳng có khả năng mở rộng cao với chi phí thấp, để tạo ra các ăng-ten truyền thông tần số vô tuyến (RF – radio frequency) dễ mang theo và sử dụng. Nghiên cứu do Nanfang Yu, Phó Giáo sư vật lý ứng dụng và toán học ứng dụng, dẫn đầu đã được công bố trên tạp chí Advanced Materials.

Ăng-ten dệt kim di động

 

Tại sao phải đan?
Hầu hết các ăng-ten sóng vô tuyến (RF), đặc biệt là các ăng-ten định hướng cao (highly directional antenna) (2) như ăng-ten mảng phản xạ (reflectarray antenna) (3), là các thiết bị phẳng và cứng. Mặc dù các thiết bị này luôn là thiết bị tiên tiến nhất về mặt hiệu suất thuần túy, nhưng chúng thường lớn, nặng và khó sử dụng cũng như sản xuất tốn kém. Các nhà nghiên cứu đã và đang tìm hiểu các khả năng để sản xuất các ăng-ten nhỏ hơn, linh hoạt hơn, bao gồm in phun hoặc in lưới trực tiếp lên hàng dệt may và thêu. Nhưng các kỹ thuật này là các phương pháp bán chồng lớp, trong đó vật liệu dẫn điện được thêm vào hàng dệt may hiện có thay vì được tích hợp vào hàng dệt may trong quá trình chế tạo, gây ra các vấn đề như tách lớp, trượt hoặc nứt kim loại, cũng như các vấn đề về khả năng mở rộng sản xuất.
(2) Ăng-ten định hướng cao: là ăng-ten để truyền tải với một chùm tia rất hẹp.
(3) Ăng-ten mảng phản xạ: bao gồm một mảng các ô đơn vị, được chiếu sáng bởi một ăng ten cấp nguồn. Ăng-ten cấp nguồn thường có hình dạng một chiếc sừng.

Nhóm của Phó Giáo sư Nanfang Yu nhận ra rằng họ cần tạo ra một kỹ thuật có hiệu suất cao, chi phí thấp, tích hợp trực tiếp các ăng-ten phẳng vào mặt hàng dệt. Vì vậy, họ quyết định nghiên cứu đan và dệt, mặc dù là những phương pháp phổ biến nhất để chế tạo hàng dệt có hoa văn, nhưng vẫn chưa được khám phá như một cách để sản xuất các ăng-ten mảng phức tạp với phản ứng điện từ được thiết kế.

Phó Giáo sư Nanfang Yu với nguyên mẫu thấu kính siêu bề mặt (metalens), có khả năng định hình mặt sóng phân kỳ thành mặt sóng phẳng, giúp tăng tính định hướng của sóng điện từ tần số vô tuyến truyền đi. 

Một phương pháp từ kiểu đan áo len Fair Isle
Các nhà nghiên cứu đã áp dụng một phương pháp mới để chế tạo các siêu bề mặt có bước sóng centimet linh hoạt và nhẹ. Họ tận dụng kỹ thuật đan màu theo kiểu cũ gọi là đan jacquard nổi (tương tự như áo len Fair Isle) (4), sử dụng sợi kim loại và sợi điện môi có sẵn trên thị trường với máy móc đan hiện có để sản xuất hai thiết bị phản xạ nguyên mẫu, một thấu kính siêu bề mặt (metalens) và một thiết bị tạo chùm tia xoáy. Trong kỹ thuật đan jacquard nổi, hai hoặc nhiều loại sợi được sử dụng để tạo ra một mẫu: một sợi được thả lỏng bên dưới vải khi không sử dụng và được chuyển trở lại mặt trước khi cần để tạo ra mẫu mong muốn.
(4) Áo len Fair Isle: có nguồn gốc từ phía bắc Scotland, thường được làm bằng lông cừu hoặc từ len cashmere nhằm giữ ấm cho cơ thể.

Bằng cách tích hợp quá trình chế tạo vải và tạo hoa văn ăng-ten vào một quy trình duy nhất, nhóm đã hợp lý hóa quy trình chế tạo và giảm thiểu các khuyết tật thường gặp ở ăng-ten được làm từ vải. Nhóm nghiên cứu là nhóm đầu tiên áp dụng các kỹ thuật đan phẳng để kết hợp ăng-ten trực tiếp trong quy trình sản xuất vải – chế tạo tích hợp – có thể thực hiện với chi phí thấp và năng suất cao ở quy mô công nghiệp. Ví dụ, mỗi siêu bề mặt nguyên mẫu có diện tích khoảng một mét vuông đã được đan trong vòng 45 phút. Ngoài ra, các thiết bị vải đan phẳng chịu được quá trình giặt và kéo giãn nhiều lần trên khung.

Phó Giáo sư Nanfang Yu, một người tiên phong trong nghiên cứu các thiết bị nanophotonic như siêu bề mặt, đã nói rằng: “Kỹ thuật đan jacquard nổi dùng để tạo ra các siêu bề mặt dệt may của chúng tôi, chính xác là kỹ thuật mà mẹ tôi dùng để may áo len cho tôi. Tôi vẫn nhớ chiếc áo len màu tím tôi mặc hồi nhỏ, có một hàng mèo trắng ngang ngực; tôi nhớ rằng khi xem mặt trong của áo len, tôi đã thấy những sợi chỉ trắng song song – những sợi nổi”.

Phó Giáo sư Nanfang Yu cho biết các ăng-ten sóng vô tuyến (RF) phức tạp này có thể dễ dàng được sản xuất bằng máy móc hiện có: “Chúng ta có thể tận dụng ngành công nghiệp đan lát rất lâu đời và rất phát triển, để đáp ứng một số nhu cầu của viễn thông hiện đại. Bản chất dễ dàng và có thể mở rộng của phương pháp chế tạo, có nghĩa là các thiết bị này có thể là các biến thể linh hoạt, siêu nhẹ và không tốn kém của các ăng-ten truyền thông tần số vô tuyến tinh vi”.

Kết quả
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng, khi thấu kính metalens hoạt động như một ăng-ten thu, nó sẽ hội tụ một sóng centimet tới vào một điểm hội tụ hẹp (giới hạn nhiễu xạ), và khi nó hoạt động như một ăng-ten phát, nó sẽ chuyển đổi phát xạ phân kỳ từ một ăng-ten hình sừng (horn antenna) (5) (một nguồn RF phổ biến) thành một sóng có mặt sóng phẳng – một chùm tia có tính định hướng cao.
(5) Ăng-ten hình sừng: là một ăng-ten bao gồm một ống dẫn sóng kim loại loe ra có hình dạng giống như một chiếc sừng, để định hướng sóng vô tuyến trong một chùm tia.

Họ cũng chứng minh rằng việc định hình mặt sóng phức tạp hơn có thể thực hiện được: siêu bề mặt tạo ra chùm tia xoáy tạo ra chùm tia xoáy – chùm tia có mặt sóng hình xoắn ốc. Do mặt sóng đặc biệt, chùm tia xoáy có thể mang một kênh thông tin độc lập, do đó, chùm tia xoáy và chùm tia có mặt sóng phẳng được sử dụng cùng nhau tạo ra kênh truyền thông hiệu quả gấp đôi.

Một mẫu thử nghiệm cho thấy nhiều loại nguyên mẫu ăng-ten, tất cả đều được đan bằng kỹ thuật đan jacquard nổi

Các bước tiếp theo
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu sẽ khám phá các kỹ thuật đan hiện đại – có ít nhất một tá loại – và máy đan để hiện thực hóa các thiết kế đa chức năng phức tạp hơn: vải có kết hợp các phản ứng điện từ, điện tử và cơ học của nhà thiết kế. Điều này có thể được sử dụng để chế tạo các điểm bản lề hoặc nếp gấp, và các mạch điện tử vào vải, có thể được kích hoạt để tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc cất giữ và triển khai hoặc thậm chí chuyển đổi giữa các chức năng điện từ khác nhau.

Khả năng mở rộng của đan phẳng được xếp hạng cao trong số tất cả các kỹ thuật được sử dụng để sản xuất các siêu bề mặt sóng vô tuyến (RF) linh hoạt hoặc cứng và các mảng phản xạ: các máy đan phẳng thương mại – có khả năng sản xuất vải – với chiều rộng lên đến hai mét và không có giới hạn về chiều dài. Các nhà nghiên cứu sẽ khám phá lợi thế này để tạo ra các ăng-ten độ lợi sóng cao với các đường kính vài mét, nhưng vẫn nhẹ và có thể cất giữ để mang theo bằng vệ tinh, để liên lạc qua khoảng cách xa.

Phó Giáo sư Nanfang Yu đã nói rằng: “Điều quan trọng là những thiết bị này được chế tạo bằng sợi len được bán sẵn trên thị trường và tận dụng các kỹ thuật chế tạo đã có. Tôi chắc chắn rằng cộng đồng thợ đan vải có thể nghĩ ra những cách khéo léo để tích hợp tính thẩm mỹ và chức năng vào một chiếc áo len – một chiếc áo len có thể dùng làm bộ khuếch đại tín hiệu Wi-Fi”.

Để xem các tin bài khác về “Ăng-ten”, vui lòng nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online

Lưu ý: 

Để xem và khai thác hiệu quả nội dung của video clip nói trên (từ YouTube/ một dịch vụ của Google), Quý vị có thể thực hiện các bước sau:
1. Nếu tốc độ internet nhanh, có thể mở chế độ xem toàn màn hình bằng cách nhấn vào khung [ ] tại góc phải (phía dưới góc phải của video)
2. Chọn chế độ hình ảnh tốt nhất của đoạn video, hãy click vào hình bánh xe răng cưa và chọn chất lượng cao hơn (hoặc HD) theo ý muốn
3. Để hiển thị nội dung phụ đề, nhấn vào nút biểu tượng phụ đề [cc]. Một số video không có chức năng này sẽ không có biểu tượng phụ đề.
4. Quý vị có thể nghe hiểu tiếng Anh và có nhu cầu chia sẻ thông tin đến cộng đồng, hãy hỗ trợ techMAG biên dịch nội dung video và gửi cho chúng tôi để có cơ hội đăng thông tin lên technologyMag.net