4G・Wi-Fi・GPSなどのあらゆる信号を受信できる「液体金属アンテナ」とは？

By Patrick Hoesly

モバイル通信(4G LTE)、Wi-Fi、GPSなどの無線機能を使えるようにするには、それぞれ波長の異なる信号を受信できるアンテナが必要になります。5Gモバイル通信技術の導入にあたってミリ波帯、IoT(モノのインターネット)の発展に伴ってさらに短い波長のマイクロ波帯など、今後必要になる信号はますます増加していきます。そこで複数のアンテナを搭載しなくても、信号の種類によって形状を変えられる「液体金属アンテナ」が発表されました。

A reconfigurable liquid metal antenna driven by electrochemically controlled capillarity
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/117/19/10.1063/1.4919605

A Tunable Liquid Metal Antennas for Tuning in to Anything - IEEE Spectrum
http://spectrum.ieee.org/tech-talk/consumer-electronics/portable-devices/a-tunable-liquid-metal-antenna-increases-the-frequency-range-of-communication-devices-

現状のアンテナは信号を切り替え可能なフィルタバンク、または信号を切り替え可能なマルチバンドアンテナを使用、または併用しています。ノースカロライナ州立大学のジェーコブ・アダムズ博士は「この無線機能の解決手段はスペースの問題を抱えています。複数の信号を受信できる単一アンテナを開発することで端末内の占有スペースが減り、代わりに他の装置を組み込めるようになるのです」と説明しています。

そんなアダムズ博士は液体金属(リキッドメタル)を使ったアンテナを開発し、Journal of Applied Physicsに論文を発表。「キャピラリー」と呼ばれる容器の中の液体金属が信号に応じて適した形状に変化するアンテナになっています。これまでも液体金属アンテナが開発されたことはありましたが、キャピラリー内の液体金属の形状変化を空気圧ポンプに頼っていたため、電子機器への搭載には適していなかったとのこと。

以下の写真に写っているのがアダムズ博士が開発した液体金属アンテナで、ポンプの代わりに電圧を加えて液体金属の形状をコントロールするというもの。容器の形状や金属の動きは水銀柱を使った体温計に似ていますが、熱によって変化することはありません。ガリウムとインジウムの合金のような電解溶液で結合させた液体金属にプラス・マイナスの電圧を加えることで、液体金属の拡散・縮小といった操作が可能になるとのこと。

プラス電圧を加えた金属の表面には酸化被膜が形成されるため、表面張力が低下して流動的な形状になります。マイナス電圧を加えると酸化被膜が取り除かれるため、金属が流出にしくくなり縮小するという仕組みです。

アダムズ博士によるとセンチメートル波(3GHz～30GHz)の受信については回路上で別々に設置することになるものの、ミリ波(30～300GHz)の受信に関してはマイクロ流体チップに統合できるとのこと。将来的には巨大な液体金属アンテナによって、防衛通信システムやレーダーシステムといった数十GHzの周波数を要するシステムにも転用可能な技術となっています。

アダムズ博士は「単一で全帯域の周波数をカバーする液体金属アンテナを実現したことで、今後は飛行機やタンカーなどに搭載されている大量のアンテナスペースの削減などに活用できるようになるでしょう」と話しています。