Выдерживает 10 000 деформаций: как эта антенна заменит сотню стандартных

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) представили инновационную антенну, обладающую уникальной способностью менять свою форму и, соответственно, адаптироваться к различным частотам. В отличие от традиционных статических антенн, которые имеют фиксированные характеристики, эта "мета-антенна” может растягиваться, сгибаться и сжиматься, обеспечивая работу в широком диапазоне без необходимости использования сложных приводов или переключателей. Об этом стало известно из сообщения MIT News.

Ключ к успеху кроется в использовании метаматериалов, которые являются инженерными структурами, чьи свойства определяются не только составом, но и геометрией. Изменяя структуру и форму такой решетки, можно динамически менять радиочастотные характеристики антенны.

Каждая антенна имеет свою резонансную частоту — "любимую ноту”, при которой она демонстрирует максимальную эффективность. При изменении формы антенны эта "нота” немного смещается. Команда ученых из MIT разработала технологию управляемого растяжения и сгибания структуры для точной подстройки частотного отклика. Этот же принцип может быть использован для создания датчиков, например, для мониторинга дыхания, где мета-антенна улавливает микродвижения грудной клетки и, основываясь на изменении частоты, определяет частоту дыхания.

"Обычно антенны статичны, то есть создаются с фиксированными свойствами. Однако, используя ауксетические метаматериалы, мы можем менять эти свойства, просто изменяя геометрию. Это открывает перед нами новые методы зондирования", — отмечает Марва Аль-Алави, ведущий автор исследования и аспирант MIT.

Конструкция и особенности производства

Прототип антенны состоит из диэлектрического (непроводящего) слоя, выполненного из эластичного материала, который находится между двумя проводящими слоями. Рисунок токопроводящих дорожек формируется с использованием аэрозольной проводящей краски, что позволяет создать "патч-антенну”.

Заготовки изготавливаются с помощью лазерной резки. Для предотвращения разрывов петель рисунка при многократных деформациях, сверху наносится гибкое акриловое покрытие. Такая защита продемонстрировала устойчивость к более чем 10 000 циклов сжатия и растяжения без признаков деградации.

Преимущества перед традиционными антеннами

В традиционных системах для работы в разных диапазонах частот необходимо использовать несколько антенн или сложные коммутаторы. Мета-антенна, изменяя эффективную длину проводящих элементов и создавая "щели” с помощью геометрии решетки, способна функционировать в нескольких режимах одновременно. Это ведет к упрощению конструкции и снижению стоимости.

Исследователи создали программное обеспечение, которое позволяет задать ключевые параметры, такие как размер антенного "патча”, толщина диэлектрика и соотношение сторон ячеек метаматериала, и автоматически рассчитать диапазон резонансных частот. Это позволяет быстро изготавливать антенны под конкретные устройства, отправляя файлы непосредственно на лазерный резак.

Результаты тестов: практическое применение

В тестировании умных наушников мета-антенна продемонстрировала изменение частоты примерно на 2,6% при изгибе, что позволяло устройству автоматически переключаться между режимами шумоподавления и режимом, в котором слышны внешние звуки.

Еще одним прототипом стали интерьерные занавески: встроенная решетка-антенна может быть использована для беспроводной связи устройств в доме и одновременно служить интерфейсом для управления освещением. Потенциальные области применения включают отслеживание движений в AR/VR, энергетические каналы для носимой электроники и поддержку различных сетевых протоколов.

Универсальная, прочная и доступная антенна, которая адаптируется к окружающей среде и решаемым задачам, сокращает количество радиомодулей в различных гаджетах, экономит энергию и пространство, а также открывает путь к новым сценариям применения "умного” текстиля — от мониторинга здоровья до спортивной аналитики.