Ống dẫn sóng điện từ lấy cảm hứng từ nghệ thuật gấp giấy Origami chứng minh khả năng truyền dẫn vi sóng có thể gập lại và cấu hình lại

Ống dẫn sóng điện từ lấy cảm hứng từ nghệ thuật gấp giấy Origami chứng minh khả năng truyền dẫn vi sóng có thể gập lại và cấu hình lại
07/01/2026 -

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Illinois Urbana-Champaign và Đại học Pennsylvania State đã chứng minh các ống dẫn sóng điện từ lấy cảm hứng từ nghệ thuật gấp giấy Origami có thể gập lại, triển khai, uốn cong và xoắn trong khi vẫn duy trì tổn thất truyền dẫn vi sóng tương đương với các ống dẫn sóng hình chữ nhật cứng. Công trình này, được công bố trên tạp chí Springer Nature, nhắm đến các hạn chế liên quan đến hình dạng cố định và thể tích cất giữ trong các ống dẫn sóng thông thường được sử dụng trong tàu vũ trụ, nền tảng hải quân và các hệ thống khác có bố cục bên trong bị hạn chế chặt chẽ.

Ống dẫn sóng điện từ được sử dụng rộng rãi để truyền năng lượng vi sóng trong các hệ thống hàng không vũ trụ, hải quân, điện và truyền thông. Hầu hết các thiết kế hiện có dựa trên các ống kim loại rỗng cứng với chiều dài và hình dạng uốn cong cố định, khiến việc lưu trữ nhỏ gọn và cấu hình lại sau khi lắp đặt trở nên khó khăn. Những hạn chế này đặc biệt gây khó khăn trong các ứng dụng mà các thành phần phải được cất giữ trong quá trình vận chuyển hoặc phóng và chỉ được triển khai tại điểm sử dụng. Mặc dù các nguyên mẫu trong nghiên cứu này không được chế tạo bằng công nghệ sản xuất bồi đắp, các tác giả đặt công trình này trong bối cảnh nghiên cứu rộng hơn bao gồm các cấu trúc dẫn điện và composite được sản xuất bằng công nghệ bồi đắp cho các hệ thống điện từ có thể cấu hình lại.

Ống dẫn sóng điện từ thẳng gấp gọn và có thể triển khai được bằng kỹ thuật origami. Hình ảnh từ Springer Nature.

Nghiên cứu tập trung vào các ống dẫn sóng tương đương với tiêu chuẩn WR-284, hoạt động trong dải tần S từ 2,60 đến 3,95 GHz và hỗ trợ truyền dẫn chế độ TE₁₀ chiếm ưu thế. Tần số hoạt động được chọn để duy trì dưới tần số cắt của các chế độ bậc cao hơn, hạn chế chuyển đổi chế độ bất chấp sự gián đoạn hình học do việc gấp lại gây ra. Tất cả các nguyên mẫu đều được chế tạo như các cấu trúc chứng minh khái niệm bằng cách sử dụng các lớp giấy và lá nhôm, với nhôm tạo thành bề mặt dẫn điện bên trong. Các vật liệu này được chọn để xác nhận tính khả thi về điện từ hơn là độ bền lâu dài hoặc khả năng công suất cao. Hiệu suất truyền dẫn được đánh giá bằng các phép đo máy phân tích mạng vectơ và mô phỏng phần tử hữu hạn được thực hiện trong COMSOL Multiphysics.

Một cấu hình được trình bày là ống dẫn sóng thẳng có thể gập lại, lấy cảm hứng từ hình dạng gấp của túi mua sắm bằng giấy. Thiết kế này giữ nguyên mặt cắt ngang hình chữ nhật ở cả hai đầu, cho phép gắn trực tiếp vào các mặt bích tiêu chuẩn, đồng thời cho phép thu gọn thân ống dẫn sóng theo trục. Ở trạng thái mở ra, ống dẫn sóng origami có chiều dài và kích thước mặt cắt ngang tương đương với ống dẫn sóng WR-284 cứng 12 inch. Khi gập hoàn toàn, chiều dài của nó giảm xuống còn 85 mm, tương ứng với mức giảm 72% chiều dài đóng gói. Các phép đo thực nghiệm cho thấy tổn hao chèn trung bình của thiết kế này cao hơn khoảng 0,0117 dB/inch so với ống dẫn sóng cứng tiêu chuẩn, vẫn nằm trong giới hạn được chấp nhận chung cho truyền dẫn vi sóng.

Truyền dẫn năng lượng vi sóng của ống dẫn sóng điện từ kiểu túi mua sắm. Hình ảnh từ Springer Nature.

Thiết kế thứ hai giới thiệu ống dẫn sóng dạng xếp nếp có thể cấu hình lại hình dạng dựa trên mô hình origami giống như đàn accordion. Cấu trúc này hỗ trợ việc gấp, mở ra, thay đổi chiều dài liên tục và uốn cong có kiểm soát bằng cách sử dụng một thân ống dẫn sóng duy nhất. Ống dẫn sóng dạng xếp có thể được cấu hình lại thành các hình dạng thẳng, uốn cong chữ E và uốn cong chữ H thường được sử dụng trong định tuyến vi sóng. Ở trạng thái nén hoàn toàn, thiết kế dạng xếp đạt được mức giảm chiều dài 59% so với cấu hình mở rộng. Mô phỏng số cho thấy tổn hao chèn trung bình nằm trong khoảng 0,002 dB/inch so với ống dẫn sóng WR-284 cứng. Các phép đo thực nghiệm báo cáo tổn hao trung bình dưới 0,083 dB/inch, một ngưỡng thường được coi là chấp nhận được đối với các hệ thống vi sóng thực tế.

Hành vi cơ học của cấu trúc dạng xếp được phân tích bằng cách sử dụng mô hình phân tích và thử nghiệm thực nghiệm. Một mô hình phân tích liên hệ lực mở rộng với chiều dài mở rộng bằng cách kiểm tra hành vi quay của các mặt origami riêng lẻ. Kết quả cho thấy chế độ mở rộng lực thấp kéo dài đến khoảng 87% chiều dài tối đa, sau đó là sự gia tăng mạnh về lực cần thiết. Các thử nghiệm kéo đơn trục kết hợp với tương quan hình ảnh kỹ thuật số ba chiều xác nhận hành vi này và cho thấy sự hỏng hóc cấu trúc xảy ra khi các gờ origami phẳng thành các bề mặt cong nhẵn ở độ giãn cao.

Cấu trúc, gấp và triển khai của ống dẫn sóng điện từ origami dạng xếp hình có thể cấu hình lại. Hình ảnh qua Springer Nature.

Các nhà nghiên cứu cũng đã phát triển một ống dẫn sóng origami xoắn có khả năng xoay phân cực vi sóng 90 độ trong khi triển khai theo trục. Các ống dẫn sóng xoắn thông thường dựa trên hình học xoắn ốc cố định, trong khi thiết kế này đạt được chuyển động quay và trục kết hợp thông qua một mô hình nếp gấp xếp hình được sửa đổi. Một mô hình động học phân tích liên kết chiều dài triển khai, góc quay, góc cắt, và 

là số lượng các đơn vị gấp, cho phép thiết kế cấu trúc để đạt được độ xoay mục tiêu ở chiều dài xác định. Các phép đo thực nghiệm xác nhận rằng mô hình phân tích dự đoán chính xác mối quan hệ giữa việc triển khai và độ xoay.

Các mô phỏng điện từ cho thấy ống dẫn sóng xoắn duy trì sự lan truyền chiếm ưu thế bởi TE₁₀ trong suốt quá trình triển khai, với các chế độ bậc cao hơn vẫn nằm dưới tần số cắt. Tổn thất truyền dẫn được mô phỏng khác với tổn thất của ống dẫn sóng xoắn cứng khoảng 0,0018 dB trên mỗi inch. Các phép đo thực nghiệm cho thấy tổn thất cao hơn, được cho là do sự bất thường về hình học gây ra bởi việc gấp thủ công các mẫu nếp gấp dày đặc. Các tác giả lưu ý rằng các phương pháp chế tạo có độ chính xác cao hơn, bao gồm sản xuất bồi đắp các vật liệu dẫn điện, có thể làm giảm những bất thường này và thu hẹp khoảng cách giữa hiệu suất được mô phỏng và đo được.

Cơ chế triển khai của ống dẫn sóng điện từ origami dạng xếp hình có thể cấu hình lại. Hình ảnh từ Springer Nature.

Để chứng minh khả năng truyền tải điện năng vi sóng, các nhà nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm trong buồng không dội âm bằng cách sử dụng bộ khuếch đại ống sóng di chuyển hoạt động ở tần số 2,32 GHz, cao hơn tần số cắt của WR-284. Ống dẫn sóng origami truyền năng lượng vi sóng đến tải diode chỉnh lưu-LED đặt ở khoảng cách 10 cm và 20 cm từ đầu ra của ống dẫn sóng. Cấu hình này khác với hoạt động của ống dẫn sóng kiểu mặt bích-mặt bích tiêu chuẩn và không định lượng được công suất xử lý liên tục tối đa, nhưng nó chứng minh khả năng truyền năng lượng vi sóng đến tải thông qua cấu trúc origami.

Các mô phỏng thực địa xác nhận rằng các gián đoạn do gấp nếp gây ra không kích thích đáng kể các chế độ bậc cao hơn trong phạm vi tần số được thử nghiệm. Mặc dù có những biến đổi hình học nhỏ phát sinh trong quá trình triển khai, tính liên tục của mặt cắt ngang vẫn được bảo toàn đủ để duy trì sự lan truyền ổn định. Sự khác biệt giữa tổn thất mô phỏng và thực nghiệm chủ yếu liên quan đến những khiếm khuyết trong quá trình chế tạo hơn là các hạn chế điện từ cơ bản.

Tái cấu hình ống dẫn sóng điện từ origami dạng xếp thành ống dẫn sóng có thể uốn cong. Hình ảnh từ Springer Nature.

Nghiên cứu này được thực hiện bởi Nikhil Ashok, Sangwoo Suk và Xin Ning từ Khoa Kỹ thuật Hàng không vũ trụ tại Trường Kỹ thuật Grainger, Đại học Illinois Urbana-Champaign, với sự đóng góp của Sven G. Bilén từ Trường Thiết kế và Đổi mới Kỹ thuật, Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa Kỹ thuật Hàng không vũ trụ tại Đại học Pennsylvania State.

Các tác giả lưu ý rằng các triển khai ở quy mô nhỏ hơn có thể thể hiện độ nhạy cao hơn đối với độ cong gấp do hiệu ứng tỷ lệ bước sóng trên kích thước. Do đó, phương pháp này phù hợp nhất với các hệ thống có kích thước ống dẫn sóng lớn và hiệu quả cất giữ là rất quan trọng, chẳng hạn như mảng truyền thông vệ tinh và hệ thống anten có thể cấu hình lại. Các ống dẫn sóng cứng thông thường vẫn thực tế hơn đối với các thiết bị nhỏ gọn, nơi việc gấp lại mang lại lợi ích hạn chế.