Настройка приемно-передающего тракта любого электронного устройства на работу в определенном диапазоне радиочастот является достаточно сложным процессом. К примеру, мобильные телефоны уже сейчас должны уметь принимать сигналы в диапазонах работы системы собственно сотовой связи, GPS, Wi-Fi, 4G, и к этому списку в скором будущем добавится миллиметровый диапазон 5G. А устройства так называемого Интернета вещей (Internet of Things, IoT) будут нуждаться в охвате еще большего количества диапазонов частот. Но работа в каждом из диапазонов требует антенн различной длины и форм, которые зачастую велики для того, чтобы их все можно было разместить внутри портативного электронного устройства.
Простые монопольные антенны, используемые практически во всех современных устройствах, состоят из единственного токопроводящего элемента. Они обеспечивают максимальную эффективность в том случае, когда их длина равна половине длины волны излучаемого или принимаемого ими радиосигнала. Но для устройств, работающих в нескольких диапазонах частот, такое ограничение становится серьезной проблемой.
“Традиционным выходом является использование банка переключаемых фильтров совместно с перенастраиваемой антенной или многополосной антенной” – рассказывает Джейкоб Адамс (Jacob Adams), инженер из университета Северной Каролины (North Carolina State University), – “Вышеупомянутые решения достаточно громоздки, для их реализации требуется достаточно большое пространство. И одним из направлений миниатюризации является использование единственного элемента, обладающего широкими возможностями к перенастройке”. Таким единственным элементом как раз и является антенная из жидкого металла, способная настраиваться на работу в необходимом диапазоне на счет изменения ее длины в пределах специального капилляра.
Подобные антенны являются уже далеко не новинкой, но реализация подобной технологии не имела большого успеха из-за того, что для управления длиной столбика жидкого металла использовались миниатюрные пневматические насосы. И, согласитесь, такую конструкцию достаточно непросто интегрировать в состав потребительского электронного устройства, скажем, мобильного телефона.
Исследователи ушли от необходимости использования пневматических насосов при помощи электростатических сил, которые заставляют жидкий металл перемещаться в пределах капилляра, в который внедрены управляющие электроды. Жидкий металл, сплав галлия и индия, объединенный со специальным электролитом, может растягиваться или сокращаться в зависимости от полярности приложенного к столбику металла электрического напряжения. В этом случае используются электрохимические процессы, положительное напряжение вызывает формирование слоя оксида на поверхности металла, понижая силы поверхностного натяжения, что позволяет металлу легко течь, не встречая сопротивления. Приложенное отрицательное напряжение удаляет слой оксидов, силы поверхностного натяжения увеличиваются, что приводит к сокращению длины столбика металла.
Созданный исследователями опытный образец настраиваемой жидкометаллической антенны весьма напоминает ртутный термометр. Но, в отличие от термометра, высота столбика которого зависит от окружающей температуры, в данном случае используется электрическое напряжение, изменяя которое можно с высокой точностью регулировать высоту столбика жидкого металла в капилляре.
Такие жидкие антенны, работающие в сантиметровом диапазоне, будут иметь достаточно большие размеры и они, быстрее всего, будут являться отдельными компонентами радиоэлектронных устройств. Но жидкие антенны, работающие в миллиметровом диапазоне, могут быть интегрированы прямо на кристаллы специализированных чипов.
Помимо использования в портативной потребительской электронике, подобные технологии могут принести огромную пользу и в более серьезных областях, к примеру, в спутниковых коммуникациях, в радарных системах и в военной технике, где используются антенные группы, охватывающие диапазоны от нескольких мегагерц до десятков гигагерц. “Но все равно, любой единственный настраиваемый элемент, в большинстве случаев, никогда не сможет перекрыть весь необходимый диапазон” – рассказывает Джейкоб Адамс, – “Однако, использование таких элементов позволит существенно сократить размеры антенных полей, антенных систем судов, самолетов и другой техники, нуждающейся в охвате широкого диапазона радиоволн”.