Группа специалистов по электроники из США создала антенны беспроводной связи размером в сто раз меньше обычных. Такие антенны будут использоваться для обеспечения работы интерфейсов «мозг – компьютер» и для других миниатюрных имплантируемых медицинских устройств.
Ученые использовали различие между электромагнитными волнами, такими как световые или радиоволны, и акустическими волнами. Электромагнитные волны представляют собой колебания в электромагнитном поле, распространяющиеся со скоростью света. Звуковые волны, которые представляют собой смещения материи, движутся гораздо медленнее, в твердых телах – как правило, со скоростью несколько тысяч метров в секунду. Таким образом, при любой заданной частоте электромагнитная волна будет иметь гораздо большую длину волны, чем звуковая.
Антенны принимают информацию, резонируя с электромагнитными волнами, которые они преобразуют в электрическое напряжение. Для такого резонанса длина обычной антенны должна примерно соответствовать длине волны принимаемых электромагнитных колебаний. То есть антенна должна быть относительно большой. Однако, подобно гитарной струне, антенна также может резонировать со звуковыми волнами. Этот факт используется в новых антеннах. Для них подбираются электромагнитные волны заданной частоты, чтобы размер антенны соответствовал длине волны гораздо более коротких акустических волн той же частоты. Значит, для приема сигнала антенны могут быть намного меньше.
Для превращения входящих электромагнитных волн в акустические в антеннах используется тонкая пластинка так называемого пьезомагнитного материала, который расширяется и сжимается при воздействии магнитного поля. При правильно подобранных размере и форме эта пластинка эффективно преобразует входящую электромагнитную волну в акустические колебания. Затем звуковая волна преобразуется в колебания электрического напряжения. Когда антенна используется не для приема, а для передачи, информация перемещается в обратном направлении: от электрических импульсов через вибрацию в электромагнитные волны.
Исследователи создали два вида антенн. У одного имеется круговая мембрана, которая предназначена для работы в гигагерцевом диапазоне, в том числе для WiFi. Другая имеет прямоугольную мембрану, подходящую для мегагерцовых частот, используемых для телевидения и радио. Каждая из антенн меньше миллиметра, и обе могут быть изготовлены на одном чипе. Когда исследователи испытали одну из них в специально изолированной комнате, они обнаружили, что по сравнению с обычной кольцевой антенной того же размера она отправляет и получает сигналы частотой 2,5 гигагерца примерно в 100 000 раз эффективнее.
О достигнутых результатах авторы работы рассказывают в статье, опубликованной в Nature Communications.
