Powstała antena zmieniająca parametry. Przełom, na który czekało 5G i 6G

Antena zwykle jest zaprojektowana do pracy w konkretnym zakresie częstotliwości i nie da się kazać jej działać zupełnie inaczej. Badacze z Queen Mary University of London pokazali jednak materiał, którego właściwości można zmieniać elektrycznie już podczas pracy urządzenia. W prototypowej antenie wystarczyło przyłożyć napięcie, aby przesunąć jej częstotliwość pracy.

To, że kawałek metalu albo ceramiczny element działa jako antena, nie wynika wyłącznie z jego kształtu. Znaczenie mają również rozmiary, geometria, właściwości użytych materiałów i częstotliwość fali elektromagnetycznej.

Antena jest projektowana tak, żeby szczególnie dobrze współpracować z określonym zakresem częstotliwości. Można porównać ją do instrumentu, który ma własny rezonans. Zmiana częstotliwości zbyt daleko od zaprojektowanego zakresu oznacza spadek sprawności, większe straty albo konieczność zastosowania dodatkowych elementów dopasowujących. To nie jest jakiś wielki problem, jeśli urządzenie korzysta tylko z jednego pasma.

Współczesna elektronika wymaga od anten jednak pracy na wielu częstotliwościach naraz. Smartfon obsługuje jednocześnie wiele pasm LTE i 5G, Wi-Fi na kilku częstotliwościach, Bluetooth, GPS i inne systemy radiowe. Stacje bazowe korzystają z kolejnych zakresów widma, a rozwój fal milimetrowych i przyszłych sieci 6G jeszcze bardziej komplikuje sprawę.

Już teraz sama sieć komórkowa korzysta z bardzo różnych zakresów, od stosunkowo niskich częstotliwości zapewniających duży zasięg po pasmo 3,6 GHz oferujące znacznie większą przepustowość. Inżynierowie chcieliby więc anten, które nie są przywiązane do jednego punktu charakterystyki.

Antena rekonfigurowalna nie jest oczywiście jakimś nowym pomysłem. Już teraz stosuje się przełączniki elektroniczne, diody, kondensatory o zmiennej pojemności, układy MEMS czy materiały ferroelektryczne. Można w ten sposób zmieniać efektywną długość anteny, jej impedancję albo właściwości elektryczne rezonatora. Problem polega jednak na kompromisie.

Materiał, którego parametry bardzo łatwo zmieniają się pod wpływem pola elektrycznego, często powoduje większe straty. Energia sygnału radiowego zamiast zostać efektywnie wypromieniowana albo odebrana częściowo zamienia się w ciepło. Przy wysokich częstotliwościach robi się jeszcze trudniej.

Urządzenie pracujące w zakresie mikrofal musi reagować szybko, zachować stabilność i nie pochłaniać zbyt dużej części sygnału. W przeciwnym razie sama możliwość przestrajania staje się mało użyteczna. Zespół z Queen Mary University of London próbował więc znaleźć materiał, który potrafi jednocześnie dwie rzeczy: mocno zmieniać swoje właściwości pod wpływem napięcia i nie marnować przy tym dużej ilości energii.

Punktem wyjścia był warstwowy tantalan strontu, Sr2Ta2O7. To materiał należący do szerokiej rodziny perowskitów i struktur perowskitopodobnych. W perowskitach atomy tworzą bardzo uporządkowaną sieć krystaliczną. Niewielka zmiana składu potrafi jednak zaburzyć tę regularność i kompletnie zmienić właściwości całego materiału. Badacze wykorzystali właśnie ten efekt.

Część atomów strontu zastąpili atomami wapnia. Wapń jest mniejszy, więc po umieszczeniu go w sieci krystalicznej nie pasuje idealnie do miejsca zajmowanego wcześniej przez stront. Na pierwszy rzut oka jest to wada. W rzeczywistości właśnie o tę niedoskonałość chodziło.

Różnice rozmiarów atomów wywołały mikroskopijne naprężenia pomiędzy kolejnymi warstwami kryształu. Sieć zaczęła się bardzo delikatnie odkształcać. Zmiana zachodzi w skali atomowej, ale jej konsekwencje można zmierzyć już w całym kawałku ceramiki.

Najlepszy efekt uzyskano w materiale, w którym wapń stanowił zaledwie około 8 proc. miejsc zajmowanych przez te atomy. To wystarczyło, by w normalnie słabo aktywnym elektrycznie materiale zaczęły pojawiać się niewielkie uporządkowane obszary nazywane polarnymi nanoklastrami. Żeby zrozumieć ich znaczenie, trzeba zejść na chwilę do poziomu pojedynczych ładunków. W materiale polarnym dodatnie i ujemne ładunki nie są idealnie nałożone na siebie. Powstaje niewielki dipol elektryczny, mający dodatnią i ujemną stronę.

W klasycznym ferroelektryku ogromna liczba takich dipoli może ustawić się w uporządkowany sposób. Materiał staje się wtedy bardzo podatny na działanie zewnętrznego pola elektrycznego. Tutaj jest zupełnie inaczej, bo nie powstaje jeden wielki, trwale spolaryzowany kryształ. Pojawiają się niewielkie dynamiczne regiony, w których lokalnie istnieje uporządkowanie elektryczne. I właśnie te nanoklastry można przesuwać oraz reorganizować za pomocą pola elektrycznego.

Dla anteny kluczowa jest przenikalność elektryczna materiału. W dużym uproszczeniu parametr ten mówi, jak materiał reaguje na pole elektryczne. Ma również wpływ na sposób rozchodzenia się w nim fal elektromagnetycznych. Jeżeli rezonator anteny wykonamy z materiału o określonej przenikalności, otrzymamy konkretną częstotliwość rezonansową. Zmiana przenikalności przesuwa rezonans.

Właśnie w tym momencie pojawia się najciekawsza część nowego rozwiązania. Przykładając napięcie do materiału, można wpływać na polarne nanoklastry, a tym samym zmieniać jego parametry dielektryczne. Nie trzeba wyginać anteny, przesuwać jej elementów ani wymieniać rezonatora. Elektronika podaje inne napięcie i antena zostaje przestrojona.

Badacze pokazali to nie tylko podczas pomiarów samej próbki. Z nowego materiału wykonali również prototypowe elementy mikrofalowe oraz anteny. Ich częstotliwość pracy można było przesuwać zarówno za pomocą napięcia, jak i zmiany temperatury.

Sama podatność na przestrajanie nie wystarczyłaby do ogłoszenia sukcesu. Materiały ferroelektryczne potrafią zmieniać przenikalność pod wpływem pola już od dawna. Problemem pozostają towarzyszące temu straty dielektryczne.

Wyobraźmy sobie antenę, którą możemy bardzo szeroko przestrajać, ale przy okazji spora część dostarczonej energii znika w samym materiale. Technicznie działa, praktycznie jest znacznie mniej atrakcyjna. Nowa ceramika ma łączyć wyraźną przestrajalność ze stosunkowo niewielkimi stratami.

Przeczytaj także:

To właśnie 8-procentowa domieszka wapnia dała najlepszy kompromis między tymi parametrami. Materiał zachowywał możliwość elektrycznej regulacji i stabilne właściwości w szerokim zakresie częstotliwości, nie wykazując jednocześnie problemów typowych dla mocno ferroelektrycznych materiałów. To może być ważniejsze, niż bicie rekordu w samym zakresie przestrajania.

W telekomunikacji nie potrzebujemy materiału, który imponująco reaguje na napięcie tylko w laboratoryjnym pomiarze. Potrzebujemy takiego, który po wstawieniu do prawdziwego układu mikrofalowego nie pożre sygnału, który miał obsługiwać.

*Źródło grafiki wprowadzającej: svetlana-zhukova, Canva Pro