電気機械的にアンテナをシフトして通信を変える

軍事用ワイヤレス アプリケーションの場合、非常に重要な実装では、妨害を回避し、最も信頼性の高い周波数と動作プロトコルを確保することが不可欠です。IoT/M2Mアプリケーションの場合、デバイスを負荷の少ない周波数帯域に迅速かつ確実に調整することで、ノイズが多く混雑したワイヤレス環境でもキャリアグレードの品質を確保できます。ノースカロライナ州立大学の研究者たちは、数ギガヘルツにわたって共振周波数を調整できる、純粋に電気機械的に制御される液体金属アンテナの開発において大きな進歩を遂げました。

コネクテッド時代を先導し、シームレスなワイヤレス接続を実現するには、多くの材料と技術の革新が必要です。研究と業界の取り組みの主な焦点は、デジタルで再プログラムでき、最適な動作方法を決定できるRF通信システムの開発にあります。これらのデバイスはコグニティブ無線と呼ばれ、そのコンポーネントであるソフトウェア定義無線（SDR）は、 ADC34J22 から ダラスロジック または アナログデバイスのARRadio -- 高度なコンピュータ技術を活用してインテリジェントな無線システムを実現します。これらの通信システムはさまざまな変調および電磁 (EM) 環境変数に適応できますが、調整可能なハードウェアの制限により、最終的にはこれらのシステムで重要なRFトランシーバーのパフォーマンスが制限されます。

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制御可能な導電性液体の出現は、高度に調整可能なシステムを作成するために使用できるRFコンポーネントとデバイスを作成するために、多くの研究者によって熱心に研究されてきました。これらの研究者によって開発されたフィルター、周波数選択表面 (FSS)、アンテナは構成可能であることが証明されていますが、そのほとんどは動作するために空気圧システムを必要とします。空気圧システムを組み込むと、デバイスの複雑さ、コスト、および潜在的な故障モードが増加します。しかし、電気機械的に制御可能なアンテナを使用すると、液体アンテナの速度、精度、再現性、およびチューニング範囲が大幅に向上します。ノースカロライナ州立大学の研究者たちは、毛細管構造内で共晶ガリウムインジウム (EGaIn) から液体金属アンテナのプロトタイプを開発できたときに、これを経験しました。



図2: キャピラリー構造全体にDCバイアスを印加すると、電圧を印加するとEGaIn液体金属がキャピラリーに流れ込み、電圧を除去すると収縮します。(出典: J. Appl.物理。117、194901 (2015))

シンプルな低電圧DCバイアスを使用することで、EGaInアンテナは5:1のチューニング範囲で連続的かつ可逆的にチューニングできます。これは、電位を使用してEGaIn材料上の薄い表面酸化物を追加または除去することによって行われ、これにより、毛細管に沿った界面張力が可変的に操作されます。この酸化物の生成は、EGaIn酸化物が毛細管壁に永久的に付着するのを防ぐ電解質を毛細管内に含めることによってのみ可能になります。このシステムに適用されるDC電位は、EGaInをEGaIn充填リザーバに引き込んだり、そこから引き出したりします。



図3: 電気機械制御プロセスにより、メモリ効果のある多くのチューニング技術とは異なり、完全に可逆的なチューニングと一貫した動作が可能になります。(出典: J. Appl.物理。117、194901 (2015))

0.66 GHzでの全体的な効率は41パーセントで、3.4 GHzでは70パーセントの効率が見られました。これは、純粋な金属構造のダイポール アンテナの約95パーセントの放射効率と比較すると劣ります。 

ただし、アンテナが適切に調整されていない場合や、送信または受信の周波数で共振していない場合は、放射効率も低下します。このプロトタイプでは電解質溶液（水酸化ナトリウム（NaOH））の導電性によりアンテナ全体の放射効率が低下しましたが、研究が進むにつれて、NaOHほど効率への影響が少ない電解質を将来的に開発できる可能性があります。



図4: プロトタイプの放射効率は非理想的な電解質挙動の影響を受けましたが、将来の開発により、液体金属アンテナの効率と調整パラメータが向上する可能性があります。（出典：J. Appl.物理。117、194901 (2015))

この開発と将来の進歩により、SDRと組み合わせて使用して、高度に構成可能なRFおよびマイクロ波通信システム用のハードウェアとソフトウェアを開発できる、単純なものから非常に複雑なものまで、さまざまなアンテナ構造を作成できるようになる可能性があります。たとえば、ノースカロライナ州立大学の研究者が開発したプロトタイプは、単一のダイポール アンテナに焦点を当てており、このようなアンテナの再構成可能なアレイの可能性により、現在のアンテナ アレイ テクノロジーの有用性が劇的に向上する可能性があります。 

その他の可能性としては、アンテナ制御要素に摩耗を生じさせない電気機械式ビーム ステアリングの形式として、さまざまな電磁環境に対応するために放射パターンを大幅に変更するアンテナなどがあります。このようなシステムにより、多くの電力分割器/結合器や振幅/位相バランス調整電子機器を必要とするビームステアリング アプリケーションのコストと複雑さが軽減されます。

現在のスマートフォンやポータブル電子機器の設計では、通常、フォーム ファクタやデバイス内のアンテナの近接性による非常に厳しい設計制約を受ける、非効率的なアンテナ設計がいくつか含まれています。広範囲の周波数にわたって調整可能な再構成可能なアンテナを使用することで、通信に最も効率的な周波数を最適化し、デバイス上のフィルタおよびマッチング ネットワークの消費電力とコストを大幅に削減できます。

デジタル再構成可能性は RFおよびマイクロ波 通信業界では実現可能であることが証明されていますが、再構成可能なハードウェアは歴史的にあまりアクセスしやすいものではありませんでした。コストと複雑さは、効果的かつ効率的な再構成可能なハードウェアの採用において大きな要因となっています。電気機械制御を備えた液体金属アンテナは、必要な構成可能性の次元を提供し、商用および産業用のIoT/M2Mから最新の軍事用ワイヤレス ネットワークや電子戦 (EW) の要求に至るまでのアプリケーションを可能にする可能性があります。