Учёные из Университета Черногории, Белградского университета и Академии инженерных наук Сербии разработали компактную сверхширокополосную антенну, способную работать в диапазоне частот от 4 до 30 ГГц. Размер устройства составляет всего 18,5 × 25 мм. Антенна может применяться в системах Интернета вещей, спутниковой связи, беспроводной передачи данных, биорадарах, а также в устройствах, собирающих энергию из фонового радиоизлучения.
Современные беспроводные устройства поддерживают всё больше стандартов связи, каждый из которых использует собственные частоты. Инженерам часто приходится устанавливать несколько антенн, что увеличивает габариты и стоимость электроники.
Учёные добились работы в сверхшироком диапазоне в рамках одной компактной антенны благодаря новой фрактальной геометрии излучателя, основанной на кардиоиде – кривой в форме сердца. Внутри большой кардиоиды исследователи разместили её уменьшенную копию. Такая конструкция создаёт множество перекрывающихся резонансов, что позволяет небольшой антенне эффективно работать в очень широком диапазоне частот и заменять сразу несколько специализированных антенн.
Антенна выполнена на стандартном стеклотекстолите FR-4 – материале, который используется для большинства печатных плат в электронных устройствах. В процессе разработки учёные последовательно варьировали размеры внешней и внутренней кардиоид, положение линии питания и другие параметры, чтобы добиться максимально широкого рабочего диапазона без увеличения габаритов. Затем был изготовлен опытный образец.
Тесты подтвердили, что антенна эффективно передаёт и принимает радиосигналы. Около 80% подводимой к ней мощности преобразуется в радиоизлучение, а не теряется внутри конструкции. Максимальный коэффициент усиления составил 5,6 dBi – это означает, что в направлении наиболее сильного излучения сигнал примерно в 3,6 раза мощнее, чем у гипотетической антенны, излучающей равномерно во все стороны.
По мнению исследователей, разработка особенно перспективна для двух областей:
- Первая – системы сбора энергии (energy harvesting), которые улавливают фоновое радиочастотное излучение. Антенна одновременно принимает сигналы от множества беспроводных сервисов, что позволяет более эффективно использовать слабое электромагнитное излучение от сетей мобильной связи, Wi-Fi и других источников для питания маломощных датчиков. Кроме того, её можно подключать непосредственно к выпрямительному диоду без сложных согласующих цепей, что упрощает конструкцию устройства и снижает потери энергии.
- Вторая область – компактные доплеровские радары, способные бесконтактно контролировать дыхание, частоту сердечных сокращений, сон или присутствие человека в помещении. Благодаря низкой взаимной связи между близко расположенными антеннами такие системы могут работать с более высокой точностью.