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        美國研發新型便攜式VLF天線,用于無線電故障時通信

        2019-05-28 來源:國防科技要聞 字號:

        美國近期開發了一種新型便攜式甚低頻(VLF)天線,可在傳統無線電通信失效的環境中實現移動通信。該技術將具備極其廣闊的軍事應用前景,如水下潛艇、水面艦艇和空中平臺之間,以及地面上下軍事平臺之間的相互快速、高效率通信。

        一、項目背景

        該項目由美國能源部SLAC國家加速器實驗室牽頭,由國防高級研究計劃局(DARPA)資助,合作機構包括斯坦福國際研究院以及Gooch & Housego公司(一家全球領先光子技術公司)。研究團隊已通過斯坦福大學正式提交了技術專利申請,相關研究結果于4月12日發表在美國《自然通信》雜志上。

        VLF通信系統(3 ~30 千赫茲)能發射波長較長的無線電波,可實現在較高頻率下不可行的應用。然而,只有當VLF通信系統的天線長度與其發射的無線電波波長相當時(此處> 1 千米),系統效率才達到最高,這使無線電波發射器實現便攜式應用極具挑戰性。為實現便攜式無線電波發射器達到10 厘米尺寸級,SLAC團隊展示了一種超低損耗的鈮酸鋰壓電電偶極子,它可在聲學共振下驅動,與此前最前沿設備相比,在尺寸相當的情況下,其效率提高了300倍以上。壓電輻射元件由于可在聲波波長處自諧振,消除了對大阻抗匹配網絡的依賴。該諧振的時間調制表明,其數據傳輸帶寬比傳統Bode-Fano的最大帶寬高83倍有余,從而增加了無線電波發射器的比特率,同時可使輻射能量損耗最小化。這些結果將為便攜式“電小天線”(最大尺寸小于工作波長1/2π或1/10的天線)開辟新的應用。

        ▲SLAC團隊研發的新型便攜式甚低頻(VLF)天線

        二、兩大技術挑戰

        在現代電信中,無線電波通過空氣傳輸信息,應用于無線電廣播、雷達和導航系統等多個領域。但是,傳統無線電波波長較短,沿地球表面傳播的地波繞射能力較差,傳播有效距離短;其信號強度會隨著傳播距離的延長而逐漸衰減,且不能在水下傳播、容易被巖石層阻擋。相反,VLF無線電波的波長較長,可在空氣中傳播數千公里,并可穿透地面和水面傳播數百公里。

        但VLF技術也面臨著兩大技術挑戰。VLF設備需要能夠延伸數公里的巨大天線陣列,當天線的長度與其發射的無線電波波長相當時,VLF設備效率最高。小型VLF發射器效率則低得多,且其重量可達數百斤,限制了它們作為移動通信設備的預期用途。另一個挑戰是VLF通信帶寬較低,限制了它可以有效傳輸的數據量。

        新型VLF天線克服了這兩大技術難題。其緊湊的尺寸可以構建重量僅為幾斤的無線電波發射器。在發射器向30多米外的接收器發送信號的測試中,研究人員證明新型VLF天線產生VLF無線電波的效率比之前同等級VLF天線高300倍,并且數據傳輸帶寬幾乎是之前的100倍。

        三、VLF天線性能及應用

        新型便攜式VLF天線可發射波長為數十至數百英里的VLF無線電波。這些無線電波可在地平線上進行長距離傳傳輸,并穿透短波長無線電波無法通過的環境。雖然如今大部分VLF技術需要體型巨大的發射器,但該天線只有四英寸高(約10厘米),因此未來可用于高機動性任務,如救援、防御任務。

        項目首席研究員馬克·肯普表示,VLF天線的通信效率提高了數百倍,可比之前同等尺寸的設備更快地傳輸數據;它的性能突破了技術上限,并使便攜式VLF應用(例如在挑戰性環境中發送簡訊)變得觸手可及。該VLF天線針對空中遠程通信進行了優化,具有廣闊的應用前景。目前,項目團隊正在研究該技術背后的基礎科學,以尋找進一步增強其性能的方法。

        四、VLF天線設計原理

        電荷在天線上來回移動可以產生電流。在傳統天線中,這些電荷的運動位移與它們產生的無線電波波長相近,并且小型化設計通常需要比天線本身更大的天線調諧器。然而,新型VLF設備可以在無需大型天線協調器的情況下,產生出波長遠大于電荷運動位移的電磁波,因此該設備可以實現小型化無線電通信。

        新型VLF天線利用壓電效應(電介質受到外力作用變形時,它的兩個相對表面上出現正負電荷。),將機械應力轉換為電荷的累積,從而產生無線電波。

        研究人員使用桿狀晶體壓電材料“鈮酸鋰”作為新型VLF天線材料。當在桿狀天線底部施加振蕩電壓時,天線通過交替收縮與膨脹引起振動,振動產生的機械應力會觸發振蕩電流,振蕩電流形成的電磁能隨后以VLF無線電波的形式向外傳播。在操作期間,可通過波長控制設備調整無線電波波長,并優化VLF天線傳輸數據的速率(見圖1)。

        研究人員還發現了一種巧妙調整發射無線電波波長的方法,他們在操作過程中反復切換波長,使該VLF天線能夠以大帶寬進行有效數據傳輸,這是實現每秒超過100比特數據傳輸速率的關鍵。

        來源 :美國每日航天網站/圖片來自互聯網

        軍事科學院軍事科學信息研究中心 唐睿

        如需轉載請注明出處:“國防科技要聞”(ID:CDSTIC)

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