Ультра

Природа | Новости

Приёмники радиоволн уменьшились в сто раз по сравнению с первоначальным размером.

Мишель и Том Гримм/Алами

Новая конструкция может сделать громоздкие антенны (на фото показана вышка сотовой связи) в сто раз меньше.

Металлические антенны, которые передают и принимают телевизионные сигналы и радиоволны, вскоре могут быть заменены крошечными пленками, которые будут в сто раз меньше, говорят ученые. Среди возможных преимуществ — меньшие по размеру смартфоны и носимые технологии, а также миниатюрные имплантируемые устройства для стимуляции клеток мозга.

Обычные антенны громоздки, потому что они передают сигналы, колебля ток электронов вверх и вниз по металлическому кабелю, излучая электромагнитное (ЭМ) излучение с длиной волны, которая зависит от размера кабеля. Для наиболее часто используемой части радиоволнового спектра это означает, что антенны должны иметь длину в сантиметры или десятки сантиметров, в зависимости от длины волны излучаемого ими излучения.

Но в статье, опубликованной в журнале Nature Communications1, инженер Нянь Сян Сунь из Северо-Восточного университета в Бостоне и его коллеги сообщают о создании миниатюрных антенн, которые воспринимают и передают электромагнитные сигналы новым способом. По словам Сан, в этой конструкции антенны, воспринимающие и излучающие радиоволны, могут иметь диаметр менее миллиметра.

Антенны-прототипы работают путем связи акустических волн (вибраций материала) с электромагнитными волнами. В них используется тонкая пьезоэлектрическая мембрана, которая вибрирует под воздействием электрического тока. Эта вибрация, в свою очередь, растягивает и сжимает прикрепленную пленку, содержащую магнитные частицы. Это действие создает колеблющееся магнитное поле и, в свою очередь, электромагнитную волну. При улавливании радиоволн процесс происходит в обратном порядке: входящее излучение создает в пленке колеблющееся магнитное поле, которое вызывает вибрации прикрепленной мембраны, изменение формы которой генерирует электрический сигнал.

Антенна может быть такой маленькой, потому что акустические волны в ее мембране распространяются медленнее, чем генерируемые ими электромагнитные волны. Например, сверхвысокочастотная радиоволна с частотой 1 ГГц (гигагерц) колеблется один миллиард раз в секунду. За одну миллиардную долю секунды эта волна, движущаяся со скоростью света, проходит 30 сантиметров. Но тонкая пленка, колеблющаяся на той же частоте, смещается всего на несколько сотен нанометров.

Идея сверхкомпактной магнитной антенны была предложена два года назад2, но прототип тестируется впервые, говорит Сан. «Эта работа приблизила первоначальную концепцию на один большой шаг к реальности», — говорит Юаньсюнь Итан Ван из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, один из ученых, выдвинувших основную теорию. Ван предупреждает, что пока не ясно, превосходят ли маленькие антенны традиционные антенны во всех отношениях.

Сан говорит, что его команда уже работает с компаниями над коммерциализацией этой технологии и ожидает, что системы связи, использующие эти небольшие антенны, начнут использоваться «в течение двух-трех лет».

Антенны могут быть использованы на чипах в мозге, говорит Сан. Биомедицинские исследователи уже используют транскраниальную магнитную стимуляцию, при которой магнитная катушка, расположенная снаружи головы, индуцирует электрические токи внутри мозга, для лечения депрессии и мигрени; этот метод также исследуется для лечения нарушений обучения. Но направить электромагнитные волны от катушки сложно. Имплантируемый управляемый чип, который принимает и излучает электромагнитное излучение, мог бы стимулировать нейроны более точно, если бы его антенну можно было уменьшить.

Сан считает, что потребительские приложения, такие как носимые технологии и смартфоны, также могут выиграть. Размер антенны не всегда является ограничивающим фактором для смартфонов, но разработчики все чаще втискивают несколько антенн разного размера для таких сервисов, как Wi-Fi, GPS и связь ближнего радиуса действия для бесконтактных платежей, отмечает Sun, поэтому уменьшение размера антенн может помочь помогите оптимизировать их дизайн.