تحولی در فناوری ارتباطات بی‌سیم/ ساخت آنتن نانویی ۱۰ هزار برابر کوچک‌تر از نمونه‌های معمولی

پژوهشگران با استفاده از لیزر، یک آنتن نانومقیاس ساخته‌اند که ۱۰ هزار برابر کوچک‌تر از آنتن‌های معمولی است.

کد خبر: ۱۲۳۴۸۹۲

دوشنبه - ۱۳ اسفند ۱۴۰۳ / March 03, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، در دنیای فناوری‌های ارتباطی، کوچک‌سازی آنتن‌ها همواره یک چالش اساسی بوده است، به‌ویژه در حوزه فرکانس‌های پایین که آنتن‌ها به ابعاد بزرگی نیاز دارند. با این حال، پژوهشگران دانشگاه ژجیانگ موفق شده‌اند با استفاده از نانوذرات معلق در لیزر، آنتنی ۱۰،۰۰۰ برابر کوچک‌تر از نمونه‌های معمولی بسازند که می‌تواند مسیر ارتباطات بی‌سیم را متحول کند. این نوآوری، علاوه بر حل مشکلات ابعادی، قابلیت دریافت سیگنال در محیط‌های دشوار مانند زیر آب، فضا‌های بسته و حتی جو زمین را بهبود می‌بخشد.

پیشرفتی چشمگیر در مینیاتورسازی آنتن‌ها

گروهی از پژوهشگران به سرپرستی هویژو هو از دانشگاه ژجیانگ و آزمایشگاه ژجیانگ، یک آنتن دریافت‌کننده فرکانس پایین را با استفاده از نانوذرات معلق نوری توسعه داده‌اند. این دستاورد که نتایج آن در نشریه PhotoniX در تاریخ ۲۹ ژانویه ۲۰۲۵ منتشر شده است، چالش‌های اساسی در کوچک‌سازی آنتن‌های مورد استفاده در کاربرد‌های حیاتی را برطرف می‌کند. این کاربرد‌ها شامل ارتباطات زیرآبی، حسگر‌های زیرزمینی و راهنما‌های موجی در یونوسفر هستند.

سیگنال‌های بی‌سیم در فرکانس‌های پایین (۳۰ تا ۳۰۰ کیلوهرتز) برای انتقال داده در فواصل طولانی، عبور از موانع و مقاومت در برابر تداخل ضروری هستند. اما کاهش اندازه آنتن‌ها معمولاً به کاهش حساسیت آنها منجر می‌شود. راهکار‌های متداول، مانند آنتن‌های مبتنی بر کوپلینگ مغناطیسی-الکتریکی، همچنان در مقیاس سانتی‌متری باقی می‌مانند، زیرا فرکانس تشدید آنها به ابعاد فیزیکی‌شان وابسته است.

مکانیزم عملکرد آنتن نانومقیاس

آنتن جدید از نانوذرات سیلیکایی معلق در محیط خلأ با قطر ۱۴۳ نانومتر بهره می‌برد که با یک تله نوری لیزری در جای خود نگه داشته می‌شوند. مهم‌ترین نوآوری‌های این فناوری شامل موارد زیر است:

افزایش بار الکتریکی: با استفاده از پرتو‌های الکترونی متمرکز، این نانوذرات قادرند بیش از ۲۰۰ بار خالص را حمل کنند که حساسیت به میدان‌های الکتریکی را افزایش می‌دهد.

استقلال اندازه از فرکانس: فرکانس تشدید این نانوذرات به ویژگی‌های تله نوری (مانند توان لیزر) بستگی دارد، نه ابعاد فیزیکی‌شان. به این ترتیب، آنتن‌هایی با اندازه ۱۰۰ نانومتر می‌توانند در بازه ۳۰ تا ۱۸۰ کیلوهرتز فعالیت کنند.

دمودولاسیون دقیق سیگنال: این سیستم با استفاده از مدولاسیون کلیدزنی فرکانس دوتایی (۲ FSK)، توانست در شدت میدان‌های ضعیف (۰.۱ ولت بر متر)، نرخ خطای بیت کمتر از ۰.۱ درصد را در سرعت ۰.۵ کیلوبیت بر ثانیه ثبت کند. این عملکرد در شرایط خلأ (۲×۱۰⁻⁷ میلی‌بار) آزمایش و تأیید شده است.

قابلیت تنظیم فرکانس: با تنظیم توان لیزر، امکان تغییر پیوسته فرکانس و دستیابی به حساسیت بهتر از ۱۰ میکروولت بر سانتی‌متر بر ریشه هرتز وجود دارد.

تشخیص برداری سیگنال: ردیابی سه‌بعدی حرکات نانوذرات امکان دریافت سیگنال از تمام جهات را فراهم می‌کند که در مقایسه با آنتن‌های سنتی که بر پایه میدان‌های اسکالر عمل می‌کنند، عملکرد بهتری دارد.

تأیید عملی در شرایط واقعی: این آنتن در آزمایش‌های انتقال داده موفق به ارسال تصاویر با نرخ خطای کنترل‌شده شد که نشان‌دهنده قابلیت کاربردی آن است.

محدودیت‌های کنونی و چشم‌انداز آینده

با وجود مزایای منحصر‌به‌فرد حساسیت این آنتن در حال حاضر ۳ تا ۴ مرتبه ضعیف‌تر از آنتن‌های معمولی است. با این حال، ابعاد نانومتری و قابلیت تنظیم فرکانس آن را به گزینه‌ای مناسب برای کاربرد‌های محیط‌های سخت و محدود مانند اعماق دریا یا فضا‌های بسته تبدیل کرده است. پژوهشگران در آینده روی موارد زیر تمرکز خواهند کرد:

یکپارچه‌سازی در آرایه‌ها: استفاده از چندین نانوذره برای افزایش پهنای باند.

توسعه به فرکانس‌های پایین‌تر: استفاده از شناوری مغناطیسی یا مواد بهینه‌شده برای پوشش بازه‌های فرکانسی پایین‌تر.

پیاده‌سازی در مقیاس تراشه: ادغام سیستم‌های معلق در خلأ با فناوری ساخت نیمه‌هادی‌ها برای تولید دستگاه‌های قابل‌حمل.

یکی از داوران نشریه PhotoniX درباره این پژوهش اظهار داشت: "این مقاله جالب، از یک نانوذره معلق برای دریافت سیگنال‌های مبتنی بر میدان الکتریکی استفاده کرده که گامی مهم در کوچک‌سازی آنتن‌ها محسوب می‌شود. "

اگرچه این آنتن نانومقیاس هنوز نیازمند بهبود‌هایی برای افزایش حساسیت است، اما مزایای آن در ابعاد فوق‌العاده کوچک، تنظیم‌پذیری فرکانس و دریافت سیگنال از تمام جهات، آن را به گزینه‌ای امیدوارکننده برای آینده ارتباطات بی‌سیم تبدیل کرده است. با پیشرفت‌های آتی در یکپارچه‌سازی، توسعه فرکانسی و ساخت تراشه‌های نانویی، این فناوری می‌تواند به راهکاری کارآمد در ارتباطات زیرزمینی، فضایی و صنعتی بدل شود و مرز‌های مخابرات را گسترش دهد.