Ultrasnelle mobiele communicatie met gevouwen golfgeleiders

In een wereld waar alles en iedereen steeds meer geconnecteerd is, moeten enorme hoeveelheden data heel snel verstuurd kunnen worden. Cruciaal daarvoor is de ontwikkeling van nieuwe golfgeleidertechnologieën, die efficiënte en breedbandige communicatie op hoge frequenties mogelijk maken.

Transcontinentale operaties

Een steriele operatiezaal, een wirwar aan chirurgische instrumenten, een team van verpleegkundigen -in volle staat van paraatheid-, maar … nergens een chirurg te bespeuren. Wat wel aanwezig is: twee robotarmen met ultrafijne vingertoppen. 1500 kilometer verder vinden we de chirurg terug, expert in haar gebied, en een van de weinigen die in staat is de robot te besturen om extreem complexe chirurgische ingrepen uit te voeren. Het lijkt misschien utopisch, maar telechirurgie werd al enkele decennia geleden voor het eerst gedemonstreerd. Om de techniek uit haar kinderschoenen te halen, moeten precisie en accuraatheid echter nog sterk toenemen. En dat is geen sinecure. De kleinste vertraging in communicatie tussen de expert en de chirurgische robot kan namelijk nefaste gevolgen hebben voor de patiënt. Daarom hebben we nood aan ultrasnelle mobiele communicatie, en meer bepaald: 6G.

Steeds kleiner en kleiner ...

Om ten volle het belang van die zesde generatie (6G) te begrijpen, moeten we terug naar de fundamenten: hoe werkt mobiele communicatie? Golven! Informatie, of het nu een sms’je naar je oma, het laatste weerbericht, of chirurgische robotcommando’s zijn, kan worden omgezet in elektromagnetische golven, die hun weg banen van zender naar ontvanger. Die golven worden verstuurd en ontvangen door antennes, cruciale componenten voor de realisatie van mobiele communicatie.

Sinds de jaren 80 hebben die antennes een aanzienlijke evolutie ondergaan: van de lijvige, uitschuifbare exemplaren op de eerste mobiele telefoons, tot de compact geïntegreerd versies in onze dunne smartphones. En die laatste worden almaar kleiner ... maar waarom? We kennen allemaal Wi-Fi, Bluetooth en 4G. Dat zijn verschillende vormen van mobiele communicatie, op basis van golven met een frequentie tussen 0.6 en 6 gigahertz. Deze bestaande technologieën botsen echter op een limiet: naarmate meer en meer mensen grotere hoeveelheden data rondsturen, bestaat het risico dat teveel golven zich vermengen en communicatie misloopt. Een oplossing hiervoor is het opschuiven naar hogere frequenties, want daar is er nog veel ruimte vrij, wat toelaat om grotere bandbreedtes te realiseren. En precies deze shift verklaart het krimpen van antennes. De golffysica dicteert namelijk een eenvoudig omgekeerd evenredig verband: hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de antenne.

... tot het te klein wordt

In de huidige, vijfde generatie (5G) van mobiele communicatienetwerken worden kleine antennes al volop ingezet, wat de beschikbare frequentiebanden vergroot. Maar voor toepassingen zoals telechirurgie, waar het zo cruciaal is veel data heel snel te kunnen doorsturen met een minimale vertraging, hebben we nóg meer bandbreedte nodig. De frequenties moeten dus nóg hoger, en de antennes nóg kleiner. En dat vormt een probleem.

Om efficiënt te kunnen communiceren, worden vaak meerdere antennes gebruikt. Hoe kleiner de antennes, hoe dichter ze bij elkaar komen te staan. Dat betekent dat ook de lijnen naar de antennes, waardoor de signalen worden gestuurd, steeds dichter bij elkaar komen te liggen. Daar botsen we op een limiet: om de steeds kleinere antennes te kunnen aansturen moeten ook deze lijnen smaller worden. 

Efficiënt vouwen

De lijnen die de signalen tot bij de antennes brengen, zijn al sterk geëvolueerd sinds het begin van mobiele communicatie: van koperen strips op de typisch groene printplaten, tot heel smalle buisjes die in zo’n printplaat worden ingebed. Deze rechthoekige buisjes, zogenaamde ‘golfgeleiders’, zijn te breed om de kleine antennes dicht genoeg bij elkaar te kunnen zetten. Het centrale doel van deze scriptie was om die golfgeleiders te miniaturiseren, door hun doorsnede simpelweg te vouwen. Fundamenteel verandert dat niets aan het voortbewegen van het signaal. Het heeft echter wel een belangrijk gevolg: de golfgeleiders worden veel smaller.

Uit elektromagnetische simulaties blijkt dat er een algemeen bruikbare, optimale dimensionering bestaat die de miniaturisatie van deze golfgeleiders zo ver mogelijk doordrijft. Dat is een heel interessant resultaat, aangezien het ontwerpers toelaat om eenzelfde geometrie te gebruiken voor tal van verschillende toepassingen.

Dit resultaat hebben we bevestigd aan de hand van experimenten, door zo’n smalle, gevouwen golfgeleiders te laten fabriceren en uit te meten in het laboratorium van de universiteit Gent. Als ‘proof of concept’ hebben we op basis van deze geoptimaliseerde golfgeleider nog extra componenten ontworpen en uitgemeten. De resultaten hiervan bevestigen de centrale conclusie van ons onderzoek: de gevouwen golfgeleider zal daadwerkelijk toelaten om hoogfrequente antennesystemen te realiseren.

Ultra-precieze operaties op afstand zijn misschien nog utopische toekomstperspectieven, maar 6G is dat niet. Steeds meer applicaties hebben duidelijk nood aan deze nieuwe generatie van mobiele communicatie. Gevouwen golfgeleiders, met hun optimale geometrie, hebben het potentieel ons een stap dichter te brengen bij transcontinentale hartoperaties en de geconnecteerde samenleving van de toekomst.