Главная » Хабрахабр » Антенна из пульверизатора: миниатюрность, гибкость и производительность

Антенна из пульверизатора: миниатюрность, гибкость и производительность

Двадцать первый век наполнен множеством интересных и порой невероятных изобретений. Буквально каждый день появляется что-то новое, обещающее улучшить нашу с вами жизнь. Одним из таких новшеств является интернет вещей, когда различные физические объекты вокруг нас могут коммуницировать друг с другом, формируя некую сеть. К примеру ваш холодильник имеет список продуктов, которые вы хотели купить через интернет. Он может передать эту информацию на ваш компьютер, который оформит заказ. Звучит крайне необычно, но это абсолютно реально. Однако между устройствами должна быть установлена стабильная связь, а для этого в них необходимо встроит определенные делали, в частности одной из таких деталей может быть радиочастотная антенна. Сегодня мы поговорим о новом виде сей детали, изготавливаемой буквально из распылителя, каким обычно красят стены или авто. Из чего эта антенна сделана, какие ее свойства и характеристики, как она поможет развитию интернета вещей — на эти и другие вопросы будем искать ответы в докладе исследователей. Поехали.

Суть исследования

Большая их часть состоит из металлов (медь, серебро, алюминий), что логично ибо такие вещества являются отличными проводниками, а это крайне важно для эффективной передачи радиоволн. Исследователи сразу же обращают наше внимание на то, как обстоят дела с антеннами сейчас. Это поверхностный эффект, определяющий толщину материала, на которой электрический ток может эффективно протекать. Однако есть фактор, который ограничивает возможности металлических антенн.


Упрощенная схема понятия поверхностного эффекта.

На частоте 2. Исследователи приводят в пример медь. 33 мкм. 4 ГГц (что обычно для Wi-Fi или Bluetooth) поверхностный эффект меди составляет 1. 29 мкм, а у алюминия — 1. У серебра — 1. Следовательно, толщина антенн из этих материалов должна быть не менее 5 мкм, чтобы они эффективно работали. 67 мкм.

Но когда речь идет о минимизации устройств, такие габариты уже не кажутся столь малыми, скорее наоборот.

Посему необходима новая, кардинально отличающаяся от предшественников основа для антенн, способная быть эффективной, быстрой в производстве и, конечно же, недорогой. Ученые не забыли о существовании технологии производства металлических волокон, однако этот метод очень трудоемкий и дорогостоящий. И такой основой может стать именно MXene.

Материала для будущей антенны

А мы помним, что сейчас минимизация размеров устройств и их деталей это один из пунктов разработки любой технологии. Радиочастотные антенны частенько делают из металлов, однако из такого материала крайне сложно сделать тонкую, легкую и гибкую антенну. Но у таких материалов довольно низкая проводимость, что сильно ограничивает их применение. Проблему физического размера и формы могут решить современные наноматериалы, такие как графен, углеродные нанотрубки и проводящие полимеры.

Именно по такому пути и пошли ученые. Если не получается найти идеальный материал из имеющихся, можно таковой создать самому. Основой новых антенн стал двумерный карбид титана (TiC), который в докладе имеет и другое обозначение — MXene*.

MXenes* — или максены это класс двумерных неорганических соединений.

Базой MXene стало вещество титан-алюминиевый карбид (Ti3AlC2), из которого путем селективного травления* был удален атомный слой Al.

Селективное травление* — метод удаления одного определенного компонента из системы вещества.

1 грамм порошка Ti3AlC2 был постепенно введен в 10 мл раствора, состоящего из 6 мл хлористоводородной кислоты, 3 мл 49 %-ой плавиковой кислоты и 1 мл деионизированной воды. Полученную смесь поместили в ледяную (охлаждающую) баню на 10 минут, а потом непрерывно перемешивали в течение 24 часов.

Далее полученный осадок был добавлен в холодный раствор хлорида лития (20%) и воды (80%). После процесса травления смесь 5 раз очистили посредством центрифугирования (3500 об/мин, 2 минуты каждый заход), пока pH не достигнет 7-6. Потом еще 10 минут в охлаждающей бане и 4 часа размешивания при комнатной температуре.

Следующим этапом было повторная тройная очистка до достижения темного цвета, что обозначает начало процесса расслоения. Это еще не все.

Теперь необходимо его нанести на подложку из ПЭТ (термопластик полиэтилентерефталат) толщиной 4 mil (1 mil = 1/1000 ″). Итак, вещество-основа синтезировано. ПЭТ использовался по причине его гибкости и прозрачности.

Сначала подложку очистили с помощью ультразвука в 5% растворе детергента* Hellmanex III в течение 3 минут. Перед нанесением MXene на подложку, ее необходимо было подготовить. Далее следовал еще один этап ультразвуковой очистки (также 3 минуты), но теперь в деионизированной воде и в этаноле 190 (95% чистого неденатурированного этанола и 5% Н2О).

Средство, которым мы моем посуду, можно назвать детергентом. Детергент* — вещество с высокой поверхностной активностью, посему используется для очистки, дезинфекции или растворения.

Следом подложка сушилась с помощью сжатого воздуха и очищалась кислородной плазмой на протяжении 5 минут и потоком O2 в 4 см3/мин. Это позволило удалить остаточное загрязнение и повысить степень гидрофильности* поверхности.

Губка для ванной — яркий пример гидрофильности. Гидрофильность* — утрировано, способность объекта впитывать воду. В противовес есть гидрофобность, когда объект отталкивает воду, как зонтик во время дождя.


Гидрофильность на примере того, как высушенная губка впитывает воду.

В качестве инструмента нанесения MXene на ПЭТ стал обычный распылитель (пульверизатор, для тех кто любит более закрученные названия).

Результаты исследования

В результате вышеописанного процесса изготовления был получен стабильный водный коллоидный раствор* с хлопьями Ti3C2.

Коллоидный раствор* — по сути это что-то между истинным раствором (однородным) и грубодисперсным раствором, когда в нем присутствуют мелкие частицы одного из составных веществ.


Изображение №1

Также показаны варианты нанесения данного вещества на подложку: filtration (фильтрация) и spraying (распыление). На изображении схематически показаны вышеупомянутые нанохлопья Ti3C2. Толщина пленок составит не более 1. В данном исследовании внимание уделяется именно второму варианту создания пленок, которые станут основой новых антенн. Если же применить фильтрацию — более 1 мкм. 4 мкм, если использовать нанесение путем распыления.

Фильтрация не дает таких результатов при нанесении на ПЭТ. Плюс распыления еще и в том, что на шероховатую поверхность ПЭТ можно нанести слой Ti3C2 толщиной порядка 1 мкм, если предварительно обработать подложку кислородной плазмой.

4 мкм (образец внизу). На изображении 1b показаны снимки диполей Герца (тип антенн) из MXene с толщиной 62 нм (образец вверху) и 1.

является снимком РЭМ (растрового электронного микроскопа), где мы можем увидеть как хлопья Ti3C2 (красные пунктирные линии) распределяются по поверхности подложки (вид сверху), а также как слой MXene скрывает подложку (вид сбоку).

Черная линия — пленка после вакуумной фильтрации, а красная линия — после термической обработки в вакууме при температуре 150 °C. График 1d это результаты рентгено-дифракционного анализа образцов, созданных двумя способами: вакуумная фильтрация и распыление. 4 мкм после распыления, а красная пунктирная — после дополнительной обработки в вакууме при 150 °C. Черная пунктирная линия это пленка 1.

8° до 8. В случае фильтрации вакуумная обработка сместила (002) пик с 6. А в случае распыления — с ~5° до 6. 3°. 1°.

На графике мы можем увидеть разные показатели сопротивления при разной толщине пленки, полученные путем четырехточечного измерения сопротивления. Крайне важным показателем вещества в контексте радиочастотных схем является сопротивление поверхности пленки. 4 мкм, сопротивление достигало 0. Когда толщина пленки составляла 1. 08 ома на квадрат. 77 ± 0. Если же пленка была толщиной 62 нм, то в результате сопротивление было 47 ± 8 ом на квадрат, а коэффициент пропускания света при длине волны 550 нм был равен 49%.

Это, по словам исследователей, скорее всего связано с прерывистостью связей между индивидуальными нанохлопьями Ti3C2, что обусловлено неточностью ручного распыления. Важным наблюдением этого анализа является факт увеличения сопротивления при достижении толщины ≤100 нм.


Образец после процедуры распыления.

Следующий шаг это проверить работоспособность устройств, созданных на базе изготовленного MXene материала. Свойства материала исследователи, а с ними и мы, уже изучили.

Было сделано 3 устройства для проверки определенных параметров:

  • диполь Герца для проверки свойств излучения;
  • линия передачи для проверки распространения волны;
  • RFID тег (радиочастотная идентификация) для изучения обратного рассеяния, когда волна отражается обратно к источнику.


Изображение №2

Посему и был выбран именно такой тип антенн для проверки волновых характеристик. Полуволновые дипольные антенны крайне распространены в разных сферах (радиовещание, мобильные телефоны, беспроводное соединение и т.д.) поскольку распространяют волны во всех направлениях.

4 ГГц. На изображении представлена схема такой антенны, сделанной из испытываемого MXene, с частотой 2. Основными показателями, которые подверглись анализу, были обратные потери и характеристики излучения. Общая длина диполя составляет 62 нм, что является половиной длины волны при такой рабочей частоте.

Явно видно, что обратные потери возрастают при утолщении антенны. Показатели обратных потерь меняются в зависимости от толщины: от −12 децибел при 114 нм до −65 децибел при 8 мкм. Также отмечается, что обратные потери могут напрямую зависеть от изменений сопротивления ввиду разной длины, которая уменьшается при утоньшении антенны. Исследователи указывают на связь этой тенденции с корреляцией толщины и поверхностного сопротивления, о чем говорилось ранее. Это, опять же, связано с ручным методом распыления MXene на подложку.

Измерения коэффициента стоячей волны, показывающего насколько эффективно происходит передача мощности на антенну и согласование импеданса, изображены на графике . 2b это измерения коэффициента отражения (S11) дипольной антенны различной толщины (от 114 нм до 8 мкм). Черные квадраты это испытываемый MXene, красные круги — медь, а синие ромбы — алюминий.

Вид тестовой комнаты показан на изображении 2d. Измерения направленности излучения дипольной антенны проходили в специальной безэховой камере, а в качестве приемника сигнала выступила антенна Вивальди.


Пример антенны Вивальди.

И наконец график 2f, демонстрирующий максимальный коэффициент направленности антенны MXene. На соседнем графике () мы уже видим диаграмму направленности антенны MXene при толщине в 8 мкм.

Данный показатель составил -65 дБ для антенны толщиной 8 мкм, что значительно лучше, чем у антенн из других наноматериалов соответствующей толщины. Исследователи отмечают очень важную характеристику новой антенны, ее коэффициент отражения.

4 мкм полученный коэффициент (-36 дБ) лучше, чем у антенн в 7 мкм из печатного графена, ламинированного графена или из серебряного чернила. Даже при толщине 1.


Изображение №3

Это очень важный, можно сказать, основной компонент различных радиочастотных устройств. Итак, теперь переходим к проверке второго устройства из испытываемого материала, к линии передачи. Они нужны для передачи радиочастотных сигналов из точки А в точку В с минимальными потерями энергии.

В таком волноводе электромагнитные волны распространяются вдоль двух и более проводников, находящихся в одной плоскости. Из всего разнообразия типов линий передачи для проведения испытаний был выбран один — полосковый волновод. Сигнал передается по центральному проводнику (1. Схема и внешний вид волновода показан на изображении . 5 мкм являются заземлением. 7 мкм в ширину), а двое по бокам от него на расстоянии в 0.

С уменьшением толщины возрастал коэффициент затухания, это видно на графике 3b. Проверку проходили волноводы толщиной от 62 нм до 8 мкм, как и предыдущие испытуемые — дипольные антенны. А вот график показывает, что измеренные данные практически полностью совпадают с вычисленными заранее.

Изменение формы волновода не приводило к каким-либо изменениям его характеристик, что делает MXene отличным материалом для гибких, компактных устройств. Также проверялась и гибкость такого волновода (3d). Однако при постоянном сгибании наблюдается увеличение сопротивления поверхности на 14%, что можно решить путем применения метода центрифугирования для нанесения Ti3C2 на подложку, что позволит более равномерно распределить нанохлопья по поверхности.

Таким образом, при 1 ГГц коэффициент затухания MXene (1. Далее исследователи сравнили коэффициенты затухания своего творения с теми, что были созданы ранее. 7 мкм, и в 300 раз меньше, чем у волновода из серебряного чернила. 4 мкм) в 50 раз меньше, чем у волновода из графена толщиной 7. Подробности сравнения можно увидеть на графике .

И в заключение испытания проходило третье устройство на базе MXene — RFID тег.


Изображение №4

График 4b показывает расстояния чтения нисходящей линии связи трех разных RFID антенн. На показаны схема и принцип работы RFID антенны. При достижении максимального соответствия входного импеданса чипа RFID, диапазон расширяется до 8 м. Все три образца демонстрируют диапазон считывания в 6 м.

Нанометровые хлопья Ti3C2 абсолютно стабильны только в инертной атмосфере. Вышеописанные показатели крайне воодушевляют, однако у Ti3C2 есть и важный недостаток — окисление. Если же пленка попадает в кислородсодержащую среду, она начинает медленно разрушаться. В данном исследовании использовался аргон (Ar). Это относится к отдельным хлопьям, индивидуальным. Измерения показали, что в течение 70 часов Ti3C2 сохраняет свои свойства в обычной воздушной среде. Это объясняется их кучностью, поскольку плотно прилегая друг к другу они защищают внутреннюю часть от окисления, чем и удлиняют свой срок службы. Если же их много, и они формируют группы, то такая совокупность нанохлопьев может просуществовать без негативных изменений в воздухе до 30 дней.

Решить проблему окисления, по словам ученых, на данный момент можно ламинированием деталей на базе Ti3C2 или размещением их внутри герметичных устройств.

Детали расчетов, тестов и измерений доступны в докладе ученых и в дополнительных материалах к оному.

Эпилог

Легкость, гибкость, малые размеры и при этом хорошая производительность — те факторы, которые могут привлечь многие компании в будущем. Вышеописанный материал в полной мере заслуживает особого внимания, учитывая его характеристики, если верить тестам и испытаниям. Меняя размер чего-либо, ожидаешь ухудшения его характеристик. Устройства вокруг нас становятся умнее, некоторые из них при этом становятся меньше. Все, чтобы производительность будущих технологий никак не зависела от их физических характеристик или от среды их использования. Именно посему многие исследовательские группы и работают над созданием новых устройств, новых деталей, поиском новых материалов или над их синтезом.

Но современных ученых ничто не удивит. К тому же, «антенна из распылителя» — сама фраза звучит настолько футуристично, насколько мог вообразить разве что Айзек Азимов. Скорее наоборот, это они не перестают нас удивлять, а мы не перестаем удивляться и радоваться их открытиям, ибо большинство нацелены на всеобщее благо.

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до декабря бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

[Перевод] UDB. Что же это такое?

Как я уже отметил в статье, про UDB кратко не написать, но можно просто перевести фирменную документацию на него, чтобы познакомить отечественного читателя со столь мощным средством для реализации микропрограммных функций.Но прежде, давайте рассмотрим, что вообще такое PSoC. В комментариях ...

Беспроводные технологии передачи звука на базе Bluetooth: что же лучше?

С развитием технологий так привычные всем «ламповые» аналоговые наушники уходят в историю – их всё больше вытесняют беспроводные собратья на базе Bluetooth. Современные смартфоны лишаются привычного разъёма в угоду влаго- и пылезащищённости. Разработчики выпускают всё новые версии протокола Bluetooth и ...