Ultra

Natur | Nachricht

Radiowellenempfänger schrumpften auf ein Hundertstel ihrer ursprünglichen Größe.

Michele und Tom Grimm/Alamy

Ein neues Design könnte sperrige Antennen – hier in einem Mobilfunkmast gezeigt – bis zu hundertmal kleiner machen.

Metallantennen, die Fernsehsignale und Radiowellen senden und empfangen, könnten bald durch winzige, bis zu hundertmal kleinere Folien ersetzt werden, sagen Wissenschaftler. Zu den möglichen Vorteilen gehören kleinere Smartphones und tragbare Technologie sowie miniaturisierte implantierbare Geräte zur Stimulation von Gehirnzellen.

Herkömmliche Antennen sind sperrig, da sie Signale übertragen, indem sie einen Elektronenstrom auf einem Metallkabel auf und ab schwingen lassen und dabei elektromagnetische (EM) Strahlung mit einer Wellenlänge aussenden, die von der Größe des Kabels abhängt. Für den am häufigsten genutzten Teil des Radiowellenspektrums bedeutet dies, dass die Antennen je nach Wellenlänge der von ihnen emittierten Strahlung Zentimeter – oder mehrere Dutzend Zentimeter – lang sein müssen.

Doch in einem in Nature Communications1 veröffentlichten Artikel berichten der Ingenieur Nian Xiang Sun von der Northeastern University in Boston und seine Kollegen über die Entwicklung von Miniaturantennen, die EM-Signale auf eine neue Art und Weise erfassen und weiterleiten. Bei diesem Design können Antennen, die Radiowellen erfassen und aussenden, einen Durchmesser von weniger als einem Millimeter haben, sagt Sun.

Die Prototyp-Antennen funktionieren durch die Kopplung akustischer Wellen – Vibrationen in einem Material – mit elektromagnetischen Wellen. Sie verwenden eine dünne piezoelektrische Membran, die vibriert, wenn sie einem elektrischen Strom ausgesetzt wird. Diese Vibration wiederum dehnt und komprimiert einen daran befestigten Film, der magnetische Partikel enthält. Diese Aktion erzeugt ein oszillierendes Magnetfeld und damit eine elektromagnetische Welle. Bei der Aufnahme von Radiowellen erfolgt der Vorgang umgekehrt: Einfallende Strahlung erzeugt im Film ein oszillierendes Magnetfeld, das Vibrationen in der angebrachten Membran induziert, deren veränderte Form das elektrische Signal erzeugt.

Die Antenne kann so klein sein, weil sich die akustischen Wellen in ihrer Membran langsamer ausbreiten als die elektromagnetischen Wellen, die sie erzeugen. Eine ultrahochfrequente Radiowelle von 1 GHz (Gigahertz) schwingt beispielsweise eine Milliarde Mal pro Sekunde. In einer Milliardstel Sekunde bewegt sich diese Welle – mit Lichtgeschwindigkeit – 30 Zentimeter. Aber ein dünner Film, der mit derselben Frequenz schwingt, bewegt sich nur um einige hundert Nanometer.

Die Idee einer ultrakompakten magnetischen Antenne wurde vor zwei Jahren vorgeschlagen2, aber dies ist das erste Mal, dass ein Prototyp getestet wurde, sagt Sun. „Diese Arbeit hat das ursprüngliche Konzept der Realität einen großen Schritt näher gebracht“, sagt Yuanxun Ethan Wang von der University of California in Los Angeles, einer der Wissenschaftler, die die zugrunde liegende Theorie entwickelt haben. Wang weist darauf hin, dass noch nicht klar sei, ob die kleinen Antennen herkömmliche Antennen in jeder Hinsicht übertreffen.

Sun sagt, dass sein Team bereits mit Unternehmen zusammenarbeitet, um die Technologie zu kommerzialisieren, und erwartet, dass Kommunikationssysteme, die diese kleinen Antennen verwenden, „innerhalb von zwei bis drei Jahren“ im Einsatz sein werden.

Die Antennen könnten auf Chips im Gehirn eingesetzt werden, sagt Sun. Biomedizinische Forscher nutzen bereits die transkranielle Magnetstimulation – bei der eine außerhalb des Kopfes positionierte Magnetspule elektrische Ströme im Gehirn induziert – zur Behandlung von Depressionen und Migräne; Die Technik wird auch zur Behandlung von Lernstörungen erforscht. Allerdings ist es schwierig, die elektromagnetischen Wellen von der Spule abzuleiten. Ein implantierbarer, steuerbarer Chip, der elektromagnetische Strahlung empfängt und aussendet, könnte Neuronen präziser stimulieren, wenn seine Antenne verkleinert werden könnte.

Sun geht davon aus, dass auch Verbraucheranwendungen wie tragbare Technologien und Smartphones davon profitieren könnten. Die Antennengröße ist bei Smartphones nicht immer der limitierende Faktor, aber Entwickler packen zunehmend mehrere Antennen unterschiedlicher Größe für Dienste wie Wi-Fi, GPS und Nahfeldkommunikation für kontaktloses Bezahlen ein, stellt Sun fest – eine Verkleinerung der Antennen könnte also möglich sein helfen, ihr Design zu optimieren.

Nan, T. et al. Natur gemeinsam. http://dx.doi.org/10.1038/s41467-017-00343-8 (2017).

Yao, Z., Wang, YE, Keller, S. & Carman, GP IEEE Trans. Antennenpropag. 63, 3335–3344 (2015).

09. Februar 2016

23. September 2015

19. März 2014

05. März 2014

Für das beste Kommentarerlebnis melden Sie sich bitte als Benutzer an oder registrieren Sie sich und stimmen Sie unseren Community-Richtlinien zu. Sie werden zu dieser Seite zurückgeleitet, wo Sie die in Echtzeit aktualisierten Kommentare sehen und die Möglichkeit haben, Kommentare anderen Benutzern zu empfehlen.

Derzeit liegen keine Kommentare vor.