Созданы крошечные мембранные антенны, которые обеспечат беспроводной связью миниатюрную электронику и медицинские устройства

Современные компактные чип-антенны рассчитаны на работу в достаточно узком диапазоне частот. При этом, их габаритные размеры не могут быть меньше одной десятой части от длины волны резонансной частоты. Однако, группа исследователей из Северо-восточного университета разработала новый тип мембранной антенны, а габариты такой антенны могут составлять тысячную долю от длины волны их резонансной частоты, что в сто раз меньше габаритов чип-антенн, рассчитанных на работу в том же самом диапазоне. Новые мембранные антенны могут быть использованы в сверхпортативных системах беспроводной связи, включенных в состав носимой электроники, в смартфоны, медицинские имплантаты и в устройства из разряда Интернета Вещей (Internet of Things).

Мембранная антенна содержит двухслойную мембрану. Первым слоем является слой пьезомагнитного материала, сплава железа-бора-галлия. Этот слой позволяет преобразовать механические колебания мембраны в переменное магнитное поле и наоборот. Вторым слоем является слой пьезоэлектрического материала, нитрата алюминия, который преобразовывает механические колебания в электрический ток.

Когда такая мембрана попадает под воздействие электромагнитных волн определенного диапазона, она начинают вибрировать под воздействием пьезомагнитного эффекта, обеспечиваемого первым слоем материала. А второй слой вырабатывает электрический сигнал соответствующей частоты и амплитуды за счет пьезоэлектрического эффекта. Для передачи сигнала такой антенной на ее пьезоэлектрический слой подается высокочастотный электрический сигнал, модулированный соответствующим образом. Пьезоэлектрический эффект заставляет мембрану колебаться, а магнитный слой создает переменное магнитное поле, которое и является источником излучаемых антенной электромагнитных волн.

Естественно, размеры таких мембранных антенн напрямую зависят от диапазона их работы, диапазона принимаемых и излучаемых такой антенной электромагнитных сигналов. Однако, за счет того, что длины волн механических колебаний мембраны антенны могут быть в 100 тысяч раз короче длин излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, то размеры мембранных антенн могут быть намного меньшими размеров традиционных антенн.

«Мембранные антенны используют совершенно иные принципы, нежели антенны, использующиеся в радиосвязи на протяжении последнего столетия» — рассказывает Нян-Сян Сун (Nian-Xiang Sun), ведущий исследователь, — «И эти новые принципы позволяют создать ультракомактные антенны с высоким КПД и другими электрическими характеристиками».

Созданная с использованием мембранной антенны опытная наноэлектромеханическая приемно-передающая система смогла обеспечить прием и передачу в диапазонах VHF и UHF. При этом, сама система имеет абсолютно пассивный характер, для ее работы не требуется дополнительной электроники и внешнего источника энергии. «Естественно, первые опытные образцы мембранных антенн еще очень далеки от идеала» — рассказывает Нян-Сян Сун, — «Но мы видим достаточно много путей для совершенствования этой технологии, и эти пути заключаются в использовании новых материалов, более точных методов нанопроизводства и т.п.».