Onzichtbare antennes van de toekomst

Prof.dr.ir. Bart Smolders – Elektromagnetisme in draadloze telecommunicatie

We surfen, downloaden, e-mailen en ‘whatsappen’ ons tegenwoordig suf. En de hoeveelheid data die we versturen neemt steeds meer toe. Tegenwoordig kunnen we bijvoorbeeld al hd-beelden streamen via de dienst Netflix. De infrastructuur van de draadloze netwerken die hieraan ten grondslag ligt is het vakgebied van Bart Smolders. Hij werkt aan de ontwikkeling van draadloze netwerken van de toekomst. Mede door zijn onderzoek downloaden we straks een complete dvd in enkele seconden, om maar één van de vele, vele toepassingen te noemen waarin zijn werk kan uitmonden.

Menig collega zal jaloers zijn op de werkkamer van Bart Smolders (48). Vanaf de dertiende verdieping van het gebouw Potentiaal bieden de ramen van de hoogleraar Elektromagnetisme een magnifiek uitzicht over Eindhoven en omstreken. Die hoge spot is ook wel weer een beetje toepasselijk, gezien zijn vakgebied: antennes. Al gaat het in het geval van Smolders niet om enorme zendmasten of wiebelende, dunne sprieten maar om piepkleine stukjes elektronica.

Radiogolven

Even een kort stukje theorie. Als we het hebben over draadloze communicatie – bijvoorbeeld bij mobiel bellen, Wi-Fi internet of in lucht- en scheepvaart – dan gaat het om het versturen van informatie door de lucht in de vorm van radiogolven. Radiogolven zijn een vorm van elektromagnetische straling, net als zichtbaar licht. De frequentie van de radiogolven ligt grofweg tussen 3 kilohertz (KHz) en 300 Gigahertz (GHz). Elk type draadloze communicatie gebruikt zijn eigen specifieke frequenties.

Om radiogolven te ontvangen of verzenden gebruiken we een antenne; deze zet elektrische signalen om in radiogolven en andersom. Nu zijn antennes er in allerlei soorten en maten (schotelantenne, zendmasten, etc.) maar grofweg kun je zeggen dat de grootte van de antenne bepaalt welke frequenties je kunt gebruiken.

De behoefte aan sneller internet en meer bandbreedte blijft toenemen. De oplossing wordt gezocht in hogere frequenties. Nu internetten we draadloos bij frequenties tussen 1 en 5 GHz, maar we gaan naar frequenties rond 60 GHz. Hiervoor is al een ‘band’ gereserveerd, maar de technologie is nog onvoldoende ontwikkeld. Onder andere zijn hier veel kleinere antennes voor nodig – vrijwel zo klein als een computerchip.

Antenne op een chip

Dat bracht Smolders tot de vraag: kunnen we niet een computerchip en antenne ineen maken? Zo’n ‘antenna on chip’ is niet alleen economisch interessant (minder materiaal nodig betekent minder kosten), maar het heeft ook technische voordelen. Zo heb je geen last van verstoringen die bij de huidige techniek ontstaat door verbindingen tussen antenne en chip.

Een promotieonderzoek dat afgelopen zomer in samenwerking met het bedrijf NXP is afgerond, leverde de eerste ontwerpen hiervan op. Het levende bewijs hiervan legt Smolders tijdens het gesprek op tafel: een minuscuul stukje elektronica wat je met blote handen vrijwel niet eens kunt oppakken. “Dit kun je zo als complete sensor gebruiken”, zegt Smolders. “Er hoeft alleen nog een batterijtje bij.”

Dat je met zoiets kleins ineens een werkende sensor ter beschikking hebt opent de deur naar tal van toepassingen. “Je kunt ze op landbouwgrond neerstrooien waar ze temperatuur of luchtvochtigheid meten”, zegt Smolders. “Maar op elke willekeurige plaats waar je gegevens wilt meten kan zulke ‘smart dust’ uitkomst bieden. Er zijn waarschijnlijk toepassingen te bedenken waar wij nog niet eens aan gedacht hebben.”

Van een andere mogelijke toepassing is al een eerste concrete aanzet gemaakt: in een project samen met het start-up bedrijf OmniRadar is de technologie van Smolders gebruikt om een radar op een chip te ontwikkelen. “Radar bestaat natuurlijk al, en wordt in de scheepvaart gebruikt, maar dan gaat het om vrij lompe apparaten. Met zo’n chipje ontstaan tal van nieuwe mogelijkheden, bijvoorbeeld voor veiligheid. Radar kan een goed alternatief zijn voor optische sensoren waar het mistig is of op plekken waar gevaarlijke gassen vrijkomen.”

En ja, uiteindelijk kan zo'n ‘antenne-on-chip’ in een volgende iPhone terecht komen. “Dit soort doorbraken zijn nodig om de apparatuur te kunnen ontwikkelen die van hogere frequenties gebruik kan maken. “Datasnelheden zullen zoveel hoger zijn dat een complete dvd binnen enkele seconden gedownload is”, weet Smolders. Het toont aan dat Smolders in zekere zin een glazen bol heeft voor het soort radiocommunicatie waarover we de komende jaren gaan beschikken. 

Phased arrays

Smolders werkt ook aan een andere uitdaging in toekomstige radiocommunicatie. De kleine afmetingen van antennes die met 60 GHz kunnen werken maken dat ze ook weinig oppervlakte hebben om energie op te vangen. Om het signaal niet te zwak te maken worden meerdere chipjes aan elkaar gekoppeld, een zogenoemd ‘phased array’. Alleen heeft dit als gevolg dat de antenne voor slechts één richting gevoelig wordt.

Je wilt natuurlijk niet hebben dat je voortdurend je telefoon moet richten om een signaal te krijgen, vergelijkbaar met hoe je de antenne van de FM-radio moest afstellen. Smolders zoekt daarom naar manieren om de ‘kijkrichting’ van deze chipantennes elektronisch te kunnen reguleren. Bedrijven als NXP, Thales of ESTEC Noordwijk (radiocommunicatie voor ruimtevaart) volgen dit onderzoek op de voet.

Bijzonder is dat de ontwikkeling van deze zogenoemde ‘phased arrays’ ook op een compleet ander terrein van pas komt, namelijk de gezondheidszorg. Met het Erasmus MC werkt Smolders met zijn collega prof. Anton Tijhuis samen aan de ontwikkeling van hyperthermie, een nieuwe behandeling voor kanker. Bij deze behandeling worden radiogolven gebruikt om een tumor en het omliggende weefsel lokaal te verwarmen, zodat dit gevoeliger wordt voor chemotherapie.

Het onderzoek van Smolders en Tijhuis wordt benut om elektronisch heel gericht een stukje van iemands lichaam te kunnen verwarmen. Een aantal alumni uit de groep experimenteert nu met een apparaat waardoor je de behandeling in de MRI-scanner kunt laten plaatsvinden. Daardoor kun je ook zien of je het goede stuk weefsel hebt verwarmd. Smolders verwacht dat dit apparaat ergens de komende jaren ook bij patiënten zal worden gebruikt. 

Rondleiding lab

Ad Reniers, één van de medewerkers uit de groep van Smolders, geeft mij nog een korte rondleiding door de labs. Hij laat onder meer het apparaat zien wat ze hebben gebouwd om het signaal van een antenne in alle richtingen te meten. “We maken antennes die we willen gebruiken als een soort zaklamp, dus in één richting; met dit apparaat meten we of het ook werkt”, zegt Reniers.

Het scannen van de ruimte rondom de antenne gebeurt met een zogeheten ‘probe’. De blauwe ‘piramides’ die de binnenwanden van het apparaat bekleden absorberen de radiogolven zodat geen weerkaatsing kan optreden. Bijzonder is dat het apparaat de complete ruimte rondom de antenne in beeld kan brengen, inclusief het deel van de ruimte dat de probe zelf inneemt.

“We gebruiken dit apparaat ook om te leren hoe verschillen ontstaan tussen meting en simulatie. Onze opstelling is erg nauwkeurig en biedt die mogelijkheid”, zegt Reniers. Over het algemeen wordt meer waarde gehecht aan computersimulaties en accepteert men de verschillen tussen meting en simulatie, maar volgens Reniers is dit experiment de enige manier om betrouwbaar onderzoek te doen.

In het meetapparaat wordt met radiogolven van enkele millimeters groot gewerkt. Maar wat als je ook naar ‘laagfrequente’ golven wilt kijken, die enkele tot wel tientallen centimeters groot zijn? Daarvoor heeft de groep een soort grote garage staan elders op de verdieping. Als ik met Reniers de ruimte inloop valt op hoe goed de ‘blauwe piramides’ werken – de galm van onze stemmen valt volledig weg. Een vreemde gewaarwording. In deze donkere, ietwat ‘spooky’ ogende ruimte is het misschien moeilijk voor te stellen, maar hier wordt in zekere zin de basis gelegd voor onze toekomstige generatie draadloze apparatuur.  

Bio Bart Smolders

Smolders is een echte TU/e-man. Hij studeerde en promoveerde aan de faculteit Electrical Engineering (EE). Vervolgens werkte hij bij de bedrijven Thales, ASTRON en NXP om in 2007 als hoogleraar elektromagnetisme te beginnen binnen dezelfde faculteit waar hij ooit afstudeerde. Inmiddels is Smolders ook onderwijsdirecteur van de bachelor- en masteropleidingen van de faculteit. Hij houdt ook een eigen blog bij.

Terug naar het overzicht