新型緊湊型天線用于無線電發(fā)生故障時通信案例

SLAC開發(fā)了新穎的緊湊型天線，用于無線電發(fā)生故障時的通信

這種新型袖珍天線可以在傳統(tǒng)無線電無法工作的情況下實現(xiàn)移動通信，例如在水下，通過地面以及通過空氣傳輸很長距離。

SLAC國家加速器實驗室開發(fā)的一種新型袖珍天線可以在傳統(tǒng)無線電無法工作的情況下（如水下）通過移動通信地面和通過空氣的很長距離。

該裝置發(fā)射波長為數(shù)十至數(shù)百英里的極低頻（VLF）輻射。這些波在地平線上長距離傳播，可以穿透阻擋波長較短的無線電波的環(huán)境。雖然今天最強大的VLF技術(shù)需要巨大的發(fā)射器，但這種天線只有四英寸高，因此它可能用于需要高機動性的任務(wù)，包括救援和防御任務(wù)。

“我們的設(shè)備效率也提高了數(shù)百倍，并且可以比以前同等尺寸的設(shè)備更快地傳輸數(shù)據(jù)，”SLAC的項目首席研究員Mark Kemp表示。?“它的性能突破了技術(shù)上可行的極限，并將便攜式VLF應(yīng)用程序，例如在具有挑戰(zhàn)性的情況下發(fā)送短文本，觸手可及。”

用于極低頻（VLF）傳輸?shù)男滦途o湊型天線，由SLAC開發(fā)和測試，由4英寸長的壓電晶體（中心的透明桿）組成，可產(chǎn)生VLF輻射。

SLAC領(lǐng)導(dǎo)的團隊今天在Nature Communications報道了他們的結(jié)果。

一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)

在現(xiàn)代通信中，無線電波通過空氣傳輸信息，用于無線電廣播，雷達和導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他應(yīng)用。但是更短波長的無線電波有其局限性：它們傳輸?shù)?a target="_blank">信號在很長的距離內(nèi)變?nèi)?，不能通過水傳播，很容易被巖石層阻擋。

相比之下，VLF輻射的波長越長，它就能通過地面和水行進數(shù)百英尺，并通過空氣穿越地平線數(shù)千英里。

然而，VLF技術(shù)也面臨著重大挑戰(zhàn)。當(dāng)天線的大小與其發(fā)射的波長相當(dāng)時，天線效率最高; VLF的長波長需要能夠延伸數(shù)英里的巨大天線陣列。較小的VLF發(fā)射器效率低得多，重量可達數(shù)百磅，限制了它們作為移動設(shè)備的預(yù)期用途。另一個挑戰(zhàn)是VLF通信的低帶寬，這限制了它可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

新天線的設(shè)計考慮了這些問題。其緊湊的尺寸可以構(gòu)建重量僅為幾磅的變送器。在從發(fā)射器向100英尺外的接收器發(fā)送信號的測試中，研究人員證明他們的設(shè)備產(chǎn)生的VLF輻射效率比以前的緊湊型天線高300倍，并且?guī)拵缀跏菐挼?00倍。

“這項技術(shù)有許多激動人心的潛在應(yīng)用，”Kemp說。“我們的設(shè)備針對空中遠程通信進行了優(yōu)化，我們的研究正在研究該方法背后的基礎(chǔ)科學(xué)，以尋找進一步增強其功能的方法?！?/p>

新型緊湊型超低頻（VLF）天線的原理。它由壓電材料的棒狀晶體，鈮酸鋰（中心）組成。施加在桿底部的振蕩電壓（紅波）使其振動。該機械應(yīng)力觸發(fā)振蕩電流（箭頭），其電磁能然后作為VLF輻射（藍色波）發(fā)射?？梢栽诓僮髌陂g切換設(shè)備以調(diào)整發(fā)射的輻射的波長并優(yōu)化設(shè)備可以傳輸數(shù)據(jù)的速率。

圖片來源：Greg?Stewart/SLAC 國家加速器實驗室機械天線

為了產(chǎn)生VLF輻射，該裝置利用所謂的壓電效應(yīng)，其將機械應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電荷的累積。

研究人員使用壓電材料的棒狀晶體鈮酸鋰作為天線。當(dāng)它們向桿施加振蕩電壓時，它振動，交替收縮和膨脹，并且這種機械應(yīng)力觸發(fā)振蕩電流，其電磁能隨后作為VLF輻射發(fā)射。

電流源于電荷在桿上上下移動。?在傳統(tǒng)天線中，這些運動接近與它們產(chǎn)生的輻射波長相同的尺寸，并且更緊湊的設(shè)計通常需要比天線本身更大的調(diào)諧單元。?另一方面，新方法“允許我們有效地激發(fā)波長遠大于晶體運動的電磁波，而沒有大調(diào)諧器，這就是為什么這種天線如此緊湊，”Kemp說。

研究人員還發(fā)現(xiàn)了一種巧妙的調(diào)整發(fā)射輻射波長的方法，他說：“我們在操作過程中反復(fù)切換波長，這使我們能夠以大帶寬進行傳輸。這是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率超過100的關(guān)鍵。?每秒位數(shù)?-?足以發(fā)送簡單的文本。“

網(wǎng)友KQ6XA點評：

我們這些曾在LF和超聲/超聲波行業(yè)工作過的人對壓電元件發(fā)出的電磁輻射（無線電波）有些熟悉。

他們已經(jīng)在這里采取了這一原則，并且大大放大了這個效果。

恭喜：Mark A. Kemp，Matt Franzi，Andy Haase，Erik Jongewaard，Matthew T. Whittaker，Michael Kirkpatrick和Robert Sparr！

從瀏覽文章中剔除了一些事實：

鈮酸鋰壓電棒固定在夾具中（頂部有金屬環(huán)形線圈以形成磁場）。

夾具可以在真空或絕緣氣體容器內(nèi)。

壓電桿通過函數(shù)發(fā)生器激勵用作振蕩器?-?發(fā)射器?-?天線。

壓電桿在35 kHz附近機械/聲學(xué)振蕩。

它還以大約35 kHz的頻率輻射電磁波（無線電波）。

可以在一定距離處拾取無線電波

這種在LF處使用壓電作為微型發(fā)射天線的方法似乎比相同尺寸的傳統(tǒng)微型發(fā)射天線更有效。