Встроенные в мобильные девайсы миниатюрные чип-антенны имеют линейные размеры не менее десятой доли длины волны резонансной частоты и обеспечивают эффективный прием/передачу радиосигналов в очень узкой полосе частот.
В дециметровом диапазоне длин волн (1-0,1 м, соответствующие частоты — 0,3-3 ГГц) для сотовой связи в основном используются поддиапазоны 0,9 ГГц, 1,8 ГГц и 1,9 ГГц. Длины волн при этом находятся в пределах 33-16 см, так что десятые их доли (3,3-1,6 см) вполне приемлемы для встраиваемых в смартфоны антенн. Но когда в носимых электронных устройствах необходимо использовать приемопередатчики, работающие в метровом диапазоне длин волн (10-1 м, соответствующие частоты — 30-300 МГц), размер антенны в 1/10 длины волны может достигать 10 см. Так что было бы очень желательно спуститься от достигнутого порога минимального размера антенн как можно дальше вниз. И это пожелание не только для метрового диапазона, но и для дециметровых, сантиметровых и даже миллиметровых длин волн электромагнитного излучения, которые вдруг потребуется использовать в самых неожиданных приложениях, например, в имплантируемых в организм человека микроэлектронных приборах.
Такую микроминиатюризацию сумела осуществить группа американских ученых, в которую вошли сотрудники Северо-Восточного университета (Бостон) и Исследовательской лаборатории ВВС США (Дейтон). Прототипом для их изобретения послужил мало известный у нас класс мембранных антенн, основой которых служат электромеханические наносистемы (Nanoelectromechanical systems — NEMS). Используя принцип, заложенный в NEMS, ученые создали магнитоэлектрическую гетероструктуру, представляющую собой контактирующие друг с другом тончайшие пленки из ферромагнитного и пьезоэлектрического материалов. Из этого «сэндвича» толщиной всего 0,5 мкм был вырезан диск диаметром 200 мкм, который выполняет функцию NEMS-резонатора. Ферромагнитная пленка этого резонатора при воздействии на нее электромагнитной волны воспринимает ее магнитную составляющую и преобразует ее в механические (акустические) колебания, которые, воздействуя на пьезоэлектрическую пленку, преобразуются ею в электрические колебания, передаваемые на вход радиоприемника.
У «непосвященных» возникает закономерный вопрос: «Зачем такие сложности?» — Все дело в том, что акустические колебания такой же частоты, что и электромагнитные, имеют длину волны в ферромагнитном материале примерно в 100 тыс. раз меньшую, благодаря чему размеры антенны могут составлять не десятую долю волны, а быть в десятки и даже тысячи раз больше нее. Возьмем хотя бы приемный резонатор магнитоэлектрической антенны. Его диаметр, как уже было отмечено, равен 200 мкм, что составляет 1/593 долю длины акустической волны (метрового радиодиапазона!) в ферромагнитной пленке.
В режиме передачи происходит обратный процесс: электрический сигнал от передатчика подается на пьезоэлектрическую пленку, которая благодаря пьезоэффекту преобразует его в акустические колебания, а они, воздействуя на ферромагнитную пленку, трансформируются в электромагнитное излучение.
Таким образом размеры магнитоэлектрической NEMS-антенны могут быть в сотни раз меньше, чем у традиционной чип-антенны (при одинаковой резонансной частоте электромагнитных колебаний).
См. также:
- MELRAM – новый тип ОЗУ, созданный в России, в десятки тысяч раз эффективнее сегодняшней RAM
- «Речь в текст» — в России создана система автоматического преобразования голоса в читаемый текст
- Кто и как даёт самые точные прогнозы погоды в мире?