通信を変革する形状シフトアンテナ

December, 13, 2024, Laurel--メリーランド州ローレルにあるジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所(APL)の研究者たちは、最先端の積層造形(AM)技術と形状記憶合金を活用して、温度に基づいて形状を変更できるアンテナを開発した。
この技術は、ACS Applied Engineering Materialsの最近のオンライン出版物で説明されており、近日発売予定の印刷版の表紙に掲載される予定であるが、軍事、科学、商業の幅広いアプリケーションで変革の可能性を秘めている。

アンテナのフロントエンドの形状は、その動作パラメータの多くを決定する。製造されると、これらの特性は固定される。形状が変化するアンテナは、より広範な無線周波数(RF)帯域での通信を可能にし、運用の俊敏性に新たな領域を開く。その中でも、1つの形状シフトアンテナで複数の固定形状アンテナの役割を果たし、スペクトルの可用性に動的に適応し、ビーム幅を変更して短距離通信と長距離通信を切り替えることができる。

SFテクノロジーにインスパイアされたこの斬新なアンテナは、APL全体での創造的な学際的なコラボレーションの結果である。

電気技師のJennifer Hollenbeckによると、同氏はエイリアンの技術が有機的で形を変える“The Expanse”シリーズからアイデアを得た。「私はキャリアを通じてアンテナを扱い、アンテナの固定形状によって課せられる制約と格闘してきた。APLには、何か違うものを作るための専門知識があることを知っていた」(Hollenbeck)。

2019年、Hollenbeckは、現在、同研究所の研究・探索開発部門で積層造形のチーフサイエンティスト、Steven Storckに連絡を取った。Storckは、形状記憶合金を積層造形するための有望な方法論を作成するための独立した研究開発プロジェクトを主導していた。低温では変形するが、加熱すると「記憶に残る」形状に戻るユニークな材料で、歯科矯正ワイヤー、血管ステント、骨インプラントなどの医療用途から、宇宙船の操縦翼面用アクチュエータまで、幅広いアプリケーションで使用されている。

機械エンジニアで材料科学者のAndy Lennonは、ニッケルとチタンの形状記憶合金であるニチノールを使用して、人の食道を通って伸びるコイルを作成し、心臓のイメージングを支援していた。Lennonらがニチノールの応用に取り組むうちに、ニチノールを使って複雑な形状を3Dプリントしたいという願望が芽生えた。しかし、それには問題があった:ニチノールやその他の形状記憶合金は、従来、形状記憶効果を達成するために冷間加工として知られる広範な機械加工を必要とし、その結果、それらは通常、ワイヤーまたは薄いシートとしてのみ利用可能だった。

「極端に冷え切った作業をすると、全体のポイントが台無しになってしまう。その複雑な形状をダイスに通して伸ばすと、ワイヤーに戻る」(Lennon)。

APLチームは当初、ニチノール部品のスケーラブルな積層造形に関連する基本的な課題に取り組むための研究を行い、その後、これらの技術を適用して、宇宙アプリケーションに展開できる形状変化構造を作成した。アンテナの応用に向けた広範な実験の後、チームはニッケルとチタンの比率を変更したが、3Dプリントされたニチノールを使用して形状シフトホーンアンテナを作成する最初の試みは不十分だった。アンテナは技術的には膨張、収縮、周波数の変更を行ったが、剛性が高く、拡張が困難だった。

「それは非常に複雑な設計であることが判明し、私が望んでいたほどうまく機能しなかった」(Hollenbeck)。

それでも、Hollenbeckとチームは、重要な課題に対する革新的なソリューションの開発を支援するために設計されたAPLの内部資金調達機会の1つであるPropulsion Grantの提案を提出した。

今回、Hollenbeckは新しいアンテナ設計を念頭に置いていた。Lennonのチームは、ニチノールを3Dプリントすることができたのは、2方向形状記憶と呼ばれるもので、合金を加熱および冷却して記憶した2つの形状を交互に行うことができるというものだった。Hollenbeckのチームは、APLのフォースプロジェクションセクタの電気エンジニアであるKyle Sibertの重要な設計とプロトタイピングのサポートを得て、冷やすと平らなスパイラルディスクのような形となり、加熱すると円錐形のスパイラルになるアンテナを開発した。

スパイラルの加熱は課題であることが証明された。チームは、アンテナの金属を十分に加熱して形状を変える方法を決定する必要があったが、RF特性を妨害したり、構造を焼損したりすることはなかった。この問題を解決するために、RF/マイクロ波設計エンジニアのMichael Sherburneが率いるチームは、新しい形の電力線を発明する必要があった。

「ピーク加熱の場合、電力線は大量の電流を処理する必要がある。これを機能させるためには、基本に立ち返る必要があった」(Sherburne)。

パズルの最後のピースは、アンテナを一貫性と再現性のある方法で3Dプリントする方法を考え出すことだった。Lennonの改質ニチノールは、ニッケルの濃度が高いため、大規模なプリントが困難だった。

「われわれは合金の加工パラメータと設計の最適化に多くの経験を持っているが、これは一歩先を行くものだった。この素材をプリントする人は多くないので、どのように加工するかのレシピはない」と、AMエンジニアのSamuelGonzalezは説明している。

「プリンタで榴散弾を何度か作った。それは、熱のためにアンテナがプリンティング中に形を変えようとしているからだ。バラバラになろうとしているのだ」と同僚のMary Daffronは付け加えた。

通常、チームは4日未満で合金を処理できるが、DaffronとGonzalezによると、この特定の材料は製造に2〜4週間かかる。

処理パラメータを最適化した今、チームはすでに最初の成功を基にする方法を模索している。

「われわれは、複数の異なるマシンで動作するようにパラメータを最適化し、これをより広く適用できるようにしたいと考えている。また、様々な温度で作動する可能性のある材料の多様なバリエーションを最適化する必要があることもわかっている」とDaffronは話している。

APLのチームによる懸命な努力により、現場の特殊オペレーター、モバイルネットワーク通信、さらには遠方の天体への宇宙ミッションなど、幅広いアプリケーションに応用できる革新的な技術が生まれた。

APLは、チームを代表して形状適応型アンテナ技術の完全な特許を取得している。また、スパイラルを加熱するための新しい電力線、アンテナの制御方法、形状記憶合金を用いたフェーズドアレイアンテナの作製方法やプロセスの特許取得も暫定的に決定した。

「このAPLチームが実証した形状シフトアンテナ機能は、小型・軽量構成でRF適応性を必要とする多くのアプリケーションやミッションにおいて、画期的な実現要因となる見込である。これは、やる気があり、非常に有能な学際的なチームを通じて研究所で発生するイノベーションのさらに別の強力な例である」とAPLのチーフエンジニア、Conrad Grantはコメントしている。