Beter begrip elektromagnetische golven maakt minuscule antennes mogelijk

Nieuwe inzichten in elektromagnetisme kunnen leiden tot antennes die klein genoeg zijn om te passen op chips. Zo kunnen niet alleen mobiele telefoons kleiner gemaakt worden, maar kan ook de verdere verkleining van apparaatjes met zend- en ontvangstmogelijkheden worden voortgezet.

Elektromagnetische golven worden volgens het onderzoek niet alleen opgewekt door versnelling van elektronen, maar ook door symmetriebreking. Dit zou elektromagnetische golven mogelijk maken die veel groter zijn dan de golven die op basis van klassieke antennes kunnen worden gemaakt.

Antenneafmetingen hebben traditioneel te maken met de golflengte van het signaal dat ze moeten kunnen ontvangen of versturen. Dat leidt in verhouding tot transistoren op een chip tot grote antennes. Toepassingen voor bijvoorbeeld het Internet of Things vereisen echter kleinere antennes.

Het fenomeen straling ten gevolge van versnelling van elektronen werd al meer dan een eeuw geleden ontdekt. Dit fenomeen heeft geen tegenhanger binnen de kwantummechanica, waar elektronen van een hogere naar een lagere energiestaat springen. De waarnemingen van de onderzoekers van straling als resultaat van gebroken symmetrie van het elektrische veld, is een mogelijke link tussen deze twee velden.

Een antenne heeft als doel om energie de vrije ruimte in te slingeren in de vorm van elektromagnetische golven of radiogolven. Aan de andere kant moet een antenne die energie weer oppikken uit de vrije ruimte. Dat zorgt binnen de huidige elektronica voor een lastig probleem, omdat antennes nog steeds relatief groot zijn en niet passen binnen de steeds kleiner wordende elektronische circuits. Deze fysieke beperking komt doordat de grootte van een antenne wordt bepaald door de uitgezonden golflengte.

Het onderzoeksteam van de universiteit van Cambridge onderzocht hoe symmetriebreking samen met de traditionele methode om signalen op te wekken kan worden gecombineerd. Daarvoor gebruiken ze diëlektrische antennes met dunne films van piëzo-elektrisch materiaal, waarin ze elektromagnetische signalen opwekken door wisselende spanningen er op te zetten. De uitgezonden elektromagnetische straling van het diëlektrische materiaal is een combinatie van versnellende elektronen op de metallische elektrodes die er op zijn aangesloten, gekoppeld met symmetriebreking van het elektrische veld.

Die combinatie zorgt voor de mogelijkheid zeer kleine antennes te produceren, die zo klein gemaakt kunnen worden dat ze in chips geïntegreerd kunnen worden. Volgens hoofdonderzoeker Gehan Amaratunga vormt de symmetriebreuk, gecombineerd met versnellende elektronen, hét missende stukje in de puzzel van de elektromagnetische theorie. Het hele onderzoek staat in het tijdschrift Physical Review Letters.

Reacties (31)

[Verwijderd]

Er staat geen tekst bij de foto. Maar mag ik aannemen dat men een extreem voorbeeld wilt laten zien van een product wat slechts een kleine chip nodig heeft, maar een gigantische pcb puur ter ondersteuning van de ouderwetse antenne?

[Verwijderd]

Volgensmij is dat rechter blokje juist het antenne. En de linker deel is om hem aan te sluiten aan een Spectrum analyzer of aan een chip.

[BadRespawn]

Ik denk dat die chip de antenne is.
Verder zal het wel een demo van de technologie zijn, niet een demo van hoe klein het uiteindelijk kan worden.

[Verwijderd]

Hm ik vraag me af wat dat voor gevolgen heeft voor het vermogen? Ik neem aan dat je met een kleinere antenne een veel lager vermogen aan kunt en dus het bereik een stuk kleiner zal zijn.

Wel interessant dat sommige technieken waarvan we denken alles al te weten, blijkbaar toch nog anders werken dan we denken.

Kleinere antennes zullen ongetwijfeld ook nog iets doen met het stroomverbruik. Ik gok zo, dat het zuiniger is in gebruik.

Edit: never mind... er is dus niets veranderd

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 17:16]

[devlaam]

Over het algemeen is het zo dat je minder vermogen nodig hebt als de impedantie aanpassing van je antenne beter is, omdat je dan minder reflectie hebt. Een kleinere antenne kan dus wel een slechter rendement betekenen als deze onder de (halve/kwart, afhankelijk van de geometrie) golflengte van de uitgezonden golf zit.

Echter, hier hebben we te maken met een heel ander "uitzend principe", dus dat kan hier anders liggen. Het is heel jammer dat het originele artikel achter een betaalmuur staat: ($25) dus het is lastig om er nu iets over te zeggen.

[Verwijderd]

Abstract

We report our observation that radiation from a system of accelerating charges is possible only when there is explicit breaking of symmetry in the electric field in space within the spatial configuration of the radiating system. Under symmetry breaking, current within an enclosed area around the radiating structure is not conserved at a certain instant of time resulting in radiation in free space. Electromagnetic radiation from dielectric and piezoelectric material based resonators are discussed in this context. Finally, it is argued that symmetry of a resonator of any form can be explicitly broken to create a radiating antenna.

[GeoBeo]

Wow, dit is wel echt heel revolutionair als het, inderdaad relatief efficiënte antennes oplevert. Jammer dat er in het artikel geen vergelijking met traditionele antennes voorkomt.

Offtopic: die wetenschappers zijn vast heel slim, maar ze kunnen wel een soldeercursusje gebruiken

[Reactie gewijzigd door GeoBeo op 23 juli 2024 17:16]

[Verwijderd]

Het soldeerwerk ziet er inderdaad rampzalig uit. Verbrande flux en doorgebakken PCB.

[Verwijderd]

Leuk als je enkel wilt uitzenden...

[cybermaus]

Waarom is dit gedownmod?

Het is een heel zinnige opmerking, nergens in het artikel staat iets over ontvangen, en met zulke niet-intuïtieve quantum verschijnselen is het helemaal niet vanzelfsprekend dat dit principe ook voor ontvangen gebruikt kan worden.

Anders dan bij een 'klassieke' antennetechnologie die wel symmetrisch is voor zenden en ontvangen.

[Verwijderd]

Elke geleider straalt, het is alleen zo dat d stralingsweerstand golflengte afhankelijk is. Je kan met het juiste aanpassingsnetwerk van elke lengte geleider een goede antenne maken. Spelen met de dielektrische constante kan ook compactere antennes opleveren.

[TLer]

De dielectrische constante is ehhh contant. 8,854187817 10^-12 F/m om precies te zijn.

Je kan natuurlijk wel werken met de relatieve permittiviteit

http://nl.wikipedia.org/wiki/Permittiviteit

[Ytrog]

Leuk dat men ook even linkt naar de Duitse wikipedia. De engelse is: http://en.wikipedia.org/wiki/Symmetry_breaking

[Shark.Bait]

Zo kunnen niet alleen mobiele telefoons kleiner gemaakt worden

Haha, in de tijd toen Nokia koning was zou dit fantastisch nieuws zijn natuurlijk, nu, in de tijd waarin schermgrootte belangrijker is, is het eigenlijk alleen interessant omdat een kleinere antenne impliceert dat er een grotere accu in kan.

[caipirinha]

Dielectrische antennes zijn al zo'n 60 jaar oud, in dat opzicht is er niets vernieuwend.
Het probleem met dielectrische antennes is dat naar mate de afmetingen kleiner worden de relatieve dielectrische constante (de meeste techneuten gebruiken de term permittiviteit niet) groter moet worden.
Een grotere dielectrische constante geeft meestal ook grotere verliezen zodat miniaturisering aan een grens gebonden is, je apparat moet ook een bruikbaar signaal uitzenden of ontvangen en niet alleen warmte opwekken.

Het onderzoek combineert twee dingen dielectrische verkleining en symmetriebreking zodat je over die grens heen kunt gaan.

O ja en dit is weinig interessant voor mobiele telefoonantennes, max belasting van zo'n antenne zal niet hoog zijn en telefoons kunnen het makkelijk met een normale patch antenne af.
Het is wel erg interessant voor intra chip communicatie.

[Verwijderd]

Mmm. Antennes in chips. Hardware, maar niet meer om signalen te versturen of op te vangen, de hardware is de zender en ontvanger? Net als de mens. Wij zijn onze mond. Wie gaan die signalen opvangen, als de chip de zender wordt?

[Tiesemans]

Alles wat de gezondheid van de mens ten goede komt maakt mij blij.

[sjun]

Blij met een brood. Geluk zit hem in kleine dingen.