Deze week besteedt Innovation Origins evenals vorige week aandacht aan de toenemende invloed van draadloze communicatie in de samenleving door middel van dataverkeer via elektromagnetische golven met steeds hogere frequenties zoals 5G.
Er zijn weinig bedrijven met zo’n bijzondere geschiedenis als het in 2013 in Eindhoven opgerichte bedrijf ‘The Antenna Company’. Zo’n twintig jaar geleden ontwikkelde de Vlaamse wiskundige en plantkundige Johan Gielis een formule die alle vormen van planten, bloemen en dieren kan beschrijven. ,,Een zeester, een blad, een bloem: ze hebben allemaal een andere vorm, maar dat zijn allemaal variaties op één gemeenschappelijk thema.” De formule van Gielis, die wereldwijd de superformule genoemd wordt, is een uitbreiding van de stelling van Pythagoras. Deze maakt gebruik van slechts enkele variabelen die, als je er een ander getal voor invult, elke mogelijke vorm oplevert.
,,Op een gegeven moment merkte ik dat Diego Caratelli de formule gebruikte voor het ontwerpen van de vorm van de antennes”, zegt Gielis. Dat was enkele jaren nadat Gielis de formule had uitgevonden en erover gepubliceerd had in een wetenschappelijk tijdschrift voor plantkunde. ,,Die kwam hem goed van pas omdat de vorm van een antenne bepalend is voor de richting en daardoor de effectiviteit van de uitstraling.” Dat geldt zowel voor het verzenden als voor de ontvangst van signalen.
Delft
Caratelli werkte toen aan de TU Delft waar hij een postdoc deed. Vanaf dat moment zijn Gielis en Caratelli gaan samenwerken. Daaruit is de Antenna Company voortgekomen. ,,We hebben verschillende verkennende studies gedaan en aanvankelijk is niet overal een product uitgekomen. Maar vanaf het moment dat we ons specifiek zijn gaan richten op elektromagnetische golven met een lengte van millimeters, zeer hoge frequenties dus, is dat veranderd.”
,,Voor de wereldmarktleider in het segment van draadloze infrastructuur in bedrijven ontwikkelde Antenna Company een antennesysteem dat gebruikt wordt voor de nieuwste generatie ultrasnelle WiFi 6-apparaten die werken bij frequenties tussen 2 en 6 gigaHertz volgens de IEEE 802.11ax standaard“, zegt Caratelli. En daar zit dus de technologie van The Antenna Company in. “Moet je nagaan”, zegt Gielis, “dat een klein bedrijfje in Eindhoven als het onze dit allemaal levert.”
Eindhoven
Inmiddels is het bedrijf van een paar medewerkers uitgegroeid tot een kantoor op de High Tech Campus in Eindhoven van zo’n dertig medewerkers, geleid door een ervaren managementteam, en met kantoren in Californië en Taiwan, zeggen Gielis en Caratelli. ,,Zes medewerkers houden zich bezig met de ontwikkeling van antennes bij hogere frequenties dan deze voor WiFi of smartphones. De meest interessante uitvinding is de 5G-antenne voor de frequentie van 28 Gigahertz die komende jaren beschikbaar zal komen (in Nederland naar verwachting vanaf 2025).”
De technologie die The Antenna Company ontwikkelt wijkt af van de conventionele antennes, zegt Caratelli. Hij maakt gebruik van Dielectric Resonator Antenna (DRA) technologie, met materialen met de gewenste diëlectrische eigenschappen, om systeemverliezen zoveel mogelijk te beperken. Voor het bepalen van de meest efficiënte vorm van de antennes gebruikte hij de superformule van Gielis. De onderliggende rekentechnieken die hierop zijn gebaseerd, werken vele malen sneller en accurater dan de standaardsystemen in de industrie.
Kruisvormige blokjes
Het prototype van het 5G-millimetergolfantennesysteem van The Antenna Company ziet eruit als een matrix van 8 maal 8 kleine kruisvormige blokjes. Al deze blokjes stralen golven van hoge frequenties uit. Zo vormen ze gezamenlijk een bundel of beam, zoals er in het vakgebied over gesproken wordt. Door de kruisvorm van de antennes, versterken de individuele golven elkaar, en door het hele systeem kan deze bundel precies worden gericht.
Dat is nodig omdat hoge frequenties een relatief klein bereik hebben en snel hinder ondervinden van obstakels. “Dat kunnen bomen en gebouwen zijn”, zegt Caratelli, “maar ook mensen”. “Het gedrag van dat soort frequenties lijkt op dat van licht. Als licht tegen een obstakel aankomt zie je schaduw”, aldus Caratelli. Die samenballing van de straling in één aanstuurbare bundel bij hoge frequenties moet dat probleem dus oplossen.
Een ander obstakel dat Caratelli en zijn team moesten oplossen was het vinden van geschikt materiaal met zo weinig mogelijk energieverlies voor alle antennesystemen. ,,Daarvoor gebruiken we polymeren”, zegt Caratelli. Kunststof dus. “Maar voor hogere frequenties gebruiken we wel weer speciale keramische materialen”.
120 graden
Een groot voordeel van de 5G-antennesystemen die Caratelli en zijn team ontwikkelen is dat de antenne een bereik heeft van 120 graden. Hij draait naar de plek waar de gebruiker met zijn smartphone staat die op signaal zit te wachten. ,,Andere antennes voor 5G, zoals patch antennes, hebben een openingshoek van maximaal 90 graden. Als je het gebied rondom de antenne 360 graden dekking wilt, heb je er van onze antennesystemen slechts drie nodig, van de patch antennesystemen heb je er minstens vier nodig.”
“En”, voegt Gielis toe, “de DRA-antenne is kleiner dan de patch antenne.”
China
Sommige landen gaan hogere frequenties gebruiken dan bijvoorbeeld Nederland. Neem China. Dat gaat de 37 tot 43 gigahertz band gebruiken. ,,Daar is de breedbandige antenne van The Antenna Company ook geschikt voor”, zegt Gielis. ,,Je kunt met de antenne ook verschillende frequenties tegelijk uitzenden als je het ontwerp aanpast.”
,,Omdat het wiskunde is, werken de rekentechnieken ook voor hogere frequenties: voor 50, of voor 100 gigahertz, zelfs voor licht en nanofotonica. Je moet dan alleen de getallen in de variabelen van de formule aanpassen.” De werking van de vergelijking die Gielis gevonden heeft, is immers universeel. Daar kan hij enorm van genieten. ,,Dat is de schoonheid van wiskunde.”
Lees via deze link ook andere artikelen over 5G.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
