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

AFRL utvecklar lusliten miniatyrantenn

Forskare knutna till den amerikanska militÀren har genom ett nytt angreppssÀtt lyckats utveckla en antenn som inte Àr större Àn en lus, motsvarande brÄkdelar av en procent av vÄglÀngden. Hemligheten bakom forskningsresultaten stavas magnetiska vÄgor, multiferroiska kompositer och inspiration frÄn 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 anvÀnder en helt annan princip vid sÀndning och mottagning av signaler Àn vad vi Àr vana vid. Enligt forskarna kan resultaten vara ett stort steg framÄt pÄ vÀgen mot en ytterligare miniatyrisering av mÄnga militÀra och kommersiella kommunikationssystem.

Som bekant Àr vanliga antenner beroende av sin storlek för att fungera effektivt i det elektromagnetiska spektrat. Om antennen inte Àr tillrÀckligt lÄng för resonans vid rÀtt frekvens kommer den inte att kunna sÀnda eller ta emot önskade elektromagnetiska vÄgor effektivt. Under Ären har dock imponerande framsteg gjorts i antennminiatyrisering med mobiltelefoner som ett utmÀrkt exempel. Antennernas kvalitet försÀmras emellertid nÀr de blir mindre och dÄ uppstÄr behovet av ett större antal cellulÀra antenner per ytenhet i telekomnÀtet för att sÀkerstÀlla adekvat mottagning av mobiltelefonsignaler.

– Vi identifierade ultrakompakta antenner som det kritiska sista steget i en sann miniatyrisering av produkter. Forskare har framgĂ„ngsrikt krympt de flesta elektroniska komponenterna men den verkliga miniatyriseringen av antenner Ă€r fortfarande en saknad del, sĂ€ger Dr. Brandon Howe, materialforskare vid AFRL.

LĂ€ngden pĂ„ en effektiv miniatyrantenn Ă€r typiskt omkring tio procent av vĂ„glĂ€ngden medan de ultrakompakta AFRL-antennerna Ă€r sĂ„ smĂ„ som brĂ„kdelar av en procent av vĂ„glĂ€ngden. Som ett resultat av det hĂ€r kan en mikrovĂ„gsantenn, som tidigare var ungefĂ€r en halv tum, reduceras till ett objekt som Ă€r mindre Ă€n en loppa (mindre Ă€n en millimeter). Även om den inte helt kan ersĂ€tta smĂ„ antenner kan enligt forskarna den hĂ€r miniatyriseringen vara ett viktigt steg mot att integrera antenner i ett antal applikationer dĂ€r det tidigare var opraktiskt att göra sĂ„.

AFRL-forskarnas teknik bygger pÄ ett nytt tillvÀgagÄngsÀtt vid antennutvecklingen. I stÀllet för att anvÀnda ett elektriskt ledande material för att kÀnna av mikrovÄgornas elektriska fÀlt anvÀnder dessa antenner speciella isolerande material kallade "multiferroiska kompositer". Dessa material Àr sammansatta av magnetostriktiva material som omvandlar magnetism till fysisk spÀnning (strain) och piezoelektriska material som omvandlar spÀnning till elektriskt spÀnningsomvandlande material. Genom att anvÀnda de multiferroiska kompositerna kan sÄ de ultrakompakta antennerna fungera genom att detektera magnetfÀltet hos mikrovÄgorna.

– Vi miniatyriserade antennerna genom att lĂ„na ett trick frĂ„n de akustiska filter som finns i mobiltelefoner och som omvandlar mikrovĂ„gspĂ€nningar till spĂ€nningsvĂ„gor (strain waves). SpĂ€nningsvĂ„gor "fĂ€rdas" mycket lĂ„ngsammare Ă€n ljusets hastighet sĂ„ genom det hĂ€r sĂ€ttet kan vi krympa vĂ„glĂ€ngderna samtidigt som frekvensen Ă€r densamma. Detta gjorde det möjligt för oss att göra antennerna mycket mindre, sĂ€ger AFRLs materialforskare Dr Michael McConney. Genom att belĂ€gga konventionella bulk-akustiska vĂ„gfilter med ett magnetiskt material kan dessa lĂ„ngsammare spĂ€nningsvĂ„gor omvandlas till strĂ„lning, vilket gjorde det möjligt att bryta ineffektiva skalningslagar associerade med att krympa typiska antenner till mycket smĂ„ storlekar.

Enligt forskarna representerar den hÀr antennen ett nytt sÀtt att tÀnka. Genom att kombinera materialteknologi pÄ ett nytt sÀtt kunde de ompröva hur en antenn fungerar.

Det nya tillvÀgagÄngssÀttet gjorde det möjligt för AFRL och Northeastern Universitys forskargrupp att minska storleken pÄ en antenn med över 90 procent, vilket dramatiskt förÀndrade det potentiella designutrymmet. Enligt McConney tillÄter denna nya design antennen att behÄlla mycket mer av sin funktionalitet jÀmfört med traditionella antenner nedskalade till samma storlek. Denna utveckling kan resultera i mindre enheter, inklusive kroppsnÀra antenner, bioimplanterbara och bioinjicerbara antenner, smarta telefoner och trÄdlösa kommunikationssystem med flera.

– Miniatyriseringen av militĂ€relektronik Ă€r till stor nytta för soldater och dĂ„ inte bara nĂ€r det gĂ€ller enheters storlek, utan ocksĂ„ transportbarhet, rymdkrav, vikt och mĂ„nga andra faktorer, sĂ€ger Howe. Det kan göra det möjligt för oss att fĂ„ med mer pĂ„ i ett visst utrymme oavsett om det ingĂ„r i ett fĂ€ltpaket eller pĂ„ en plattform. Det ger oss större kapacitet pĂ„ ett mindre utrymme.

Forskarteamet planerar att fortsÀtta sin forskning genom att arbeta med att matcha den ferromagnetiska resonansen till akustisk (strain) resonans samt integrera ett nytt högkÀnsligt magnetiskt material med lÄga förluster som gruppen utvecklat. Genom att göra det hoppas forskarna pÄ att ytterligare förbÀttra antennens effektivitet.

Forskningsresultaten publicerades nyligen i tidskriften Nature Communications.
Annons
Annons
Annons
Annons
Visa fler nyheter
2018-12-13 13:08 V11.10.14-2