Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
© US Air Force Michael McConney Komponenter | 17 oktober 2017

AFRL utvecklar lusliten miniatyrantenn

Forskare knutna till den amerikanska militären har genom ett nytt angreppssätt lyckats utveckla en antenn som inte är större än en lus, motsvarande bråkdelar av en procent av våglängden. Hemligheten bakom forskningsresultaten stavas magnetiska vågor, multiferroiska kompositer och inspiration från mobiltelefonins akustiska filter.
Bild: US Air Force foto / Michael McConney

Forskare vid amerikanska Air Force Research Laboratory (AFRL) Materials and Manufacturing Directorate har i samarbete med Northeastern University utvecklat en ultrakompakt antenn som använder en helt annan princip vid sändning och mottagning av signaler än vad vi är vana vid. Enligt forskarna kan resultaten vara ett stort steg framåt på vägen mot en ytterligare miniatyrisering av många militära och kommersiella kommunikationssystem.

Som bekant är vanliga antenner beroende av sin storlek för att fungera effektivt i det elektromagnetiska spektrat. Om antennen inte är tillräckligt lång för resonans vid rätt frekvens kommer den inte att kunna sända eller ta emot önskade elektromagnetiska vågor effektivt. Under åren har dock imponerande framsteg gjorts i antennminiatyrisering med mobiltelefoner som ett utmärkt exempel. Antennernas kvalitet försämras emellertid när de blir mindre och då uppstår behovet av ett större antal cellulära antenner per ytenhet i telekomnätet för att säkerställa adekvat mottagning av mobiltelefonsignaler.

– Vi identifierade ultrakompakta antenner som det kritiska sista steget i en sann miniatyrisering av produkter. Forskare har framgångsrikt krympt de flesta elektroniska komponenterna men den verkliga miniatyriseringen av antenner är fortfarande en saknad del, säger Dr. Brandon Howe, materialforskare vid AFRL.

Längden på en effektiv miniatyrantenn är typiskt omkring tio procent av våglängden medan de ultrakompakta AFRL-antennerna är så små som bråkdelar av en procent av våglängden. Som ett resultat av det här kan en mikrovågsantenn, som tidigare var ungefär en halv tum, reduceras till ett objekt som är mindre än en loppa (mindre än en millimeter). Även om den inte helt kan ersätta små antenner kan enligt forskarna den här miniatyriseringen vara ett viktigt steg mot att integrera antenner i ett antal applikationer där det tidigare var opraktiskt att göra så.

AFRL-forskarnas teknik bygger på ett nytt tillvägagångsätt vid antennutvecklingen. I stället för att använda ett elektriskt ledande material för att känna av mikrovågornas elektriska fält använder dessa antenner speciella isolerande material kallade "multiferroiska kompositer". Dessa material är sammansatta av magnetostriktiva material som omvandlar magnetism till fysisk spänning (strain) och piezoelektriska material som omvandlar spänning till elektriskt spänningsomvandlande material. Genom att använda de multiferroiska kompositerna kan så de ultrakompakta antennerna fungera genom att detektera magnetfältet hos mikrovågorna.

– Vi miniatyriserade antennerna genom att låna ett trick från de akustiska filter som finns i mobiltelefoner och som omvandlar mikrovågspänningar till spänningsvågor (strain waves). Spänningsvågor "färdas" mycket långsammare än ljusets hastighet så genom det här sättet kan vi krympa våglängderna samtidigt som frekvensen är densamma. Detta gjorde det möjligt för oss att göra antennerna mycket mindre, säger AFRLs materialforskare Dr Michael McConney. Genom att belägga konventionella bulk-akustiska vågfilter med ett magnetiskt material kan dessa långsammare spänningsvågor omvandlas till strålning, vilket gjorde det möjligt att bryta ineffektiva skalningslagar associerade med att krympa typiska antenner till mycket små storlekar.

Enligt forskarna representerar den här antennen ett nytt sätt att tänka. Genom att kombinera materialteknologi på ett nytt sätt kunde de ompröva hur en antenn fungerar.

Det nya tillvägagångssättet gjorde det möjligt för AFRL och Northeastern Universitys forskargrupp att minska storleken på en antenn med över 90 procent, vilket dramatiskt förändrade det potentiella designutrymmet. Enligt McConney tillåter denna nya design antennen att behålla mycket mer av sin funktionalitet jämfört med traditionella antenner nedskalade till samma storlek. Denna utveckling kan resultera i mindre enheter, inklusive kroppsnära antenner, bioimplanterbara och bioinjicerbara antenner, smarta telefoner och trådlösa kommunikationssystem med flera.

– Miniatyriseringen av militärelektronik är till stor nytta för soldater och då inte bara när det gäller enheters storlek, utan också transportbarhet, rymdkrav, vikt och många andra faktorer, säger Howe. Det kan göra det möjligt för oss att få med mer på i ett visst utrymme oavsett om det ingår i ett fältpaket eller på en plattform. Det ger oss större kapacitet på ett mindre utrymme.

Forskarteamet planerar att fortsätta sin forskning genom att arbeta med att matcha den ferromagnetiska resonansen till akustisk (strain) resonans samt integrera ett nytt högkänsligt magnetiskt material med låga förluster som gruppen utvecklat. Genom att göra det hoppas forskarna på att ytterligare förbättra antennens effektivitet.

Forskningsresultaten publicerades nyligen i tidskriften Nature Communications.

Kommentarer

Vänligen notera följande: Kritiska kommentarer är tillåtna och till och med uppmuntrade. Diskussioner är välkomna. Verbala övergrepp, förolämpningar, rasistiska och homofobiska kommentarer är inte tillåtna och sådana inlägg kommer att raderas.
Annons
Annons
Visa fler nyheter
2017-11-14 20:30 V8.8.9-1