2019-04-12 18:10:01
SLAC开发了新颖的紧凑型天线 用于无线电发生故障的通信

在能源部的SLAC国家加速器实验室开发的一种新型袖珍天线可以在传统无线电无法工作的情况下(例如在水下,通过地面和通过空气的非常长的距离)实现移动通信。

该装置发射波长为数十至数百英里的极低频(VLF)辐射。这些波在地平线上长距离传播,可以穿透阻挡波长较短的无线电波的环境。虽然今天最强大的VLF技术需要巨大的发射器,但这种天线只有四英寸高,因此它可能用于需要高机动性的任务,包括救援和防御任务。

“我们的设备效率也提高了数百倍,并且可以比以前同等尺寸的设备更快地传输数据,”SLAC的项目首席研究员Mark Kemp表示。 “它的性能突破了技术上可行的极限,并将便携式VLF应用程序,例如在具有挑战性的情况下发送短文本,触手可及。”

SLAC领导的团队今天在Nature Communications报道了他们的结果。

一个相当大的挑战

在现代电信中,无线电波通过空气传输信息,用于无线电广播,雷达和导航系统以及其他应用。但是更短波长的无线电波有其局限性:它们传输的信号在很长的距离内变弱,不能通过水传播,很容易被岩石层阻挡。

相反,VLF辐射的较长波长允许它通过地面和水行进数百英尺,并通过空气穿过地平线数千英里。

然而,VLF技术也面临着重大挑战。当天线的大小与其发射的波长相当时,天线效率最高; VLF的长波长需要能够延伸数英里的巨大天线阵列。较小的VLF发射器效率低得多,重量可达数百磅,限制了它们作为移动设备的预期用途。另一个挑战是VLF通信的低带宽,这限制了它可以传输的数据量。

新天线的设计考虑了这些问题。其紧凑的尺寸可以构建重量仅为几磅的变送器。在从发射器向100英尺外的接收器发送信号的测试中,研究人员证明他们的设备产生的VLF辐射效率比以前的紧凑型天线高300倍,并且带宽几乎是带宽的100倍。

“这项技术有许多激动人心的潜在应用,”坎普说。 “我们的设备针对空中远程通信进行了优化,我们的研究正在研究该方法背后的基础科学,以寻找进一步增强其功能的方法。”

机械天线

为了产生VLF辐射,该装置利用所谓的压电效应,其将机械应力转换为电荷的累积。

研究人员使用压电材料的棒状晶体铌酸锂作为天线。当它们向杆施加振荡电压时,它振动,交替收缩和膨胀,并且这种机械应力触发振荡电流,其电磁能随后作为VLF辐射发射。

电流源于电荷在杆上上下移动。在传统天线中,这些运动接近与它们产生的辐射波长相同的尺寸,并且更紧凑的设计通常需要比天线本身更大的调谐单元。另一方面,新方法“允许我们有效地激发波长远大于晶体运动的电磁波,而没有大调谐器,这就是为什么这种天线如此紧凑,”Kemp说。

研究人员还发现了一种巧妙的调整发射辐射波长的方法,他说:“我们在操作过程中反复切换波长,这使我们能够以大带宽进行传输。这是实现数据传输速率超过100的关键。每秒位数 - 足以发送简单的文本。“

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