Американские исследователи разработали принципиально новый класс антенн на основе магнитоэлектрических гетероструктур, которые благодаря акустическому резонансу позволяют уменьшить размеры радиокомпонентов в сто раз по сравнению с традиционными решениями.
Новые антенны используют эффект взаимодействия между магнитной и электрической поляризацией в составе единой конструкции. В основе лежит тонкопленочная гетероструктура, сочетающая ферромагнитный и пьезоэлектрический материалы. Работа устройства основана на возбуждении объёмных акустических волн в мембранной структуре.
При передаче сигнала акустические волны в ферромагнитной плёнке изменяют её намагниченность, что приводит к излучению электромагнитных волн на резонансной частоте. При приёме электромагнитные волны, воздействуя на антенну-мембрану, вызывают пьезоэлектрический эффект — в пьезоэлектрическом слое возникает электрическое напряжение, которое и регистрируется радиоэлектронной схемой.
Таким образом, одна структура выполняет обе функции — передача и приём — используя акустическое взаимодействие как промежуточный механизм преобразования электромагнитной энергии в механическую и обратно.
Сравнение с традиционными антеннами
Классические антенны представляют собой жёсткие металлические конструкции, которые входят в резонанс с падающей электромагнитной волной. Их геометрические размеры напрямую связаны с длиной волны принимаемого сигнала: типичный размер составляет примерно одну десятую длины волны. Например, для мобильных диапазонов (сотни мегагерц — единицы гигагерц) это означает антенны размером от нескольких сантиметров до десятков сантиметров.
Магнитоэлектрические антенны-мембраны благодаря использованию акустического резонанса достигают резонансного отклика на частотах, где длина акустической волны намного меньше электромагнитной. Характерные размеры таких антенн оцениваются в одну тысячную длины волны соответствующего электромагнитного сигнала. Это даёт теоретическое сокращение размеров в сто раз при сохранении функциональности.
Материалы и конструкция
Устройство построено на гетероструктуре из двух функциональных слоёв: ферромагнитной и пьезоэлектрической тонких плёнок. Ферромагнитный слой отвечает за магнитную компоненту взаимодействия — его намагниченность модулируется акустическими колебаниями. Пьезоэлектрический слой преобразует механические деформации мембраны в электрический сигнал при приёме и генерирует механические колебания при передаче.
Мембранная архитектура позволяет эффективно возбуждать объёмные акустические волны с высокой добротностью резонанса, что обеспечивает хорошую селективность и энергетическую эффективность устройства.
Область применения
Согласно авторам исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, технология имеет потенциал для внедрения в портативные системы беспроводной связи. Особый интерес представляют следующие направления: носимые электронные устройства (wearables), где каждый миллиметр объёма критичен; смартфоны и другие мобильные гаджеты, где миниатюрная антенна позволяет оптимизировать компоновку; биоимплантируемые системы, где малый размер необходим для снижения травматичности и улучшения биосовместимости.
Уменьшение размеров антенны особенно важно для систем, работающих на низких частотах (ДМВ, длинные волны), где традиционные антенны становятся неприемлемо громоздкими.
