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美国研发新型便携式VLF天线用于无线电故障时通

作者: 万博体彩APP|来源: http://www.ptmjygb.com|栏目:万博体彩APP|    日期:2019-07-05

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  ,可在传统无线电通信失效的环境中实现移动通信。该技术将具备极其广阔的军事应用前景,如水下潜艇、水面舰艇和空中平台之间,以及地面上下军事平台之间的相互快速、高效率通信。

  该项目由美国能源部SLAC国家加速器实验室牵头,由国防高级研究计划局(DARPA)资助,合作机构包括斯坦福国际研究院以及Gooch & Housego公司(一家全球领先光子技术公司)。研究团队已通过斯坦福大学正式提交了技术专利申请,相关研究结果于4月12日发表在美国《自然通信》杂志上。

  VLF通信系统(3 ~30 千赫兹)能发射波长较长的无线电波,可实现在较高频率下不可行的应用。然而,只有当VLF通信系统的天线长度与其发射的无线电波波长相当时(此处 1 千米),系统效率才达到最高,这使无线电波发射器实现便携式应用极具挑战性。为实现便携式无线 厘米尺寸级,SLAC团队展示了一种超低损耗的铌酸锂压电电偶极子,它可在声学共振下驱动,与此前最前沿设备相比,在尺寸相当的情况下,其效率提高了300倍以上。压电辐射元件由于可在声波波长处自谐振,消除了对大阻抗匹配网络的依赖。该谐振的时间调制表明,其数据传输带宽比传统Bode-Fano的最大带宽高83倍有余,从而增加了无线电波发射器的比特率,同时可使辐射能量损耗最小化。这些结果将为便携式“电小天线”(最大尺寸小于工作波长 1/2π或1/10的天线)开辟新的应用。

  在现代电信中,无线电波通过空气传输信息,应用于无线电广播、雷达和导航系统等多个领域。但是,传统无线电波波长较短,沿地球表面传播的地波绕射能力较差,传播有效距离短;其信号强度会随着传播距离的延长而逐渐衰减,且不能在水下传播、容易被岩石层阻挡。相反,VLF无线电波的波长较长,可在空气中传播数千公里,并可穿透地面和水面传播数百公里。

  但VLF技术也面临着两大技术挑战。VLF设备需要能够延伸数公里的巨大天线阵列,当天线的长度与其发射的无线电波波长相当时,VLF设备效率最高。小型VLF发射器效率则低得多,且其重量可达数百斤,限制了它们作为移动通信设备的预期用途。另一个挑战是VLF通信带宽较低,限制了它可以有效传输的数据量。

  新型VLF天线克服了这两大技术难题。其紧凑的尺寸可以构建重量仅为几斤的无线电波发射器。在发射器向30多米外的接收器发送信号的测试中,研究人员证明新型VLF天线产生VLF无线电波的效率比之前同等级VLF天线倍,并且数据传输带宽几乎是之前的100倍。

  新型便携式VLF天线可发射波长为数十至数百英里的VLF无线电波。这些无线电波可在地平线上进行长距离传传输,并穿透短波长无线电波无法通过的环境。虽然如今大部分VLF技术需要体型巨大的发射器,但该天线厘米),因此未来可用于高机动性任务,如救援、防御任务。

  项目首席研究员马克·肯普表示,VLF天线的通信效率提高了数百倍,可比之前同等尺寸的设备更快地传输数据;它的性能突破了技术上限,并使便携式VLF应用(例如在挑战性环境中发送简讯)变得触手可及。该VLF天线针对空中远程通信进行了优化,具有广阔的应用前景。目前,项目团队正在研究该技术背后的基础科学,以寻找进一步增强其性能的方法。

  电荷在天线上来回移动可以产生电流。在传统天线中,这些电荷的运动位移与它们产生的无线电波波长相近,并且小型化设计通常需要比天线本身更大的天线调谐器。然而,新型VLF设备可以在无需大型天线协调器的情况下,产生出波长远大于电荷运动位移的电磁波,因此该设备可以实现小型化无线电通信。

  新型VLF天线利用压电效应(电介质受到外力作用变形时,它的两个相对表面上出现正负电荷。),将机械应力转换为电荷的累积,从而产生无线电波。

  研究人员使用杆状晶体压电材料“铌酸锂”作为新型VLF天线材料。当在杆状天线底部施加振荡电压时,天线通过交替收缩与膨胀引起振动,振动产生的机械应力会触发振荡电流,振荡电流形成的电磁能随后以VLF无线电波的形式向外传播。在操作期间,可通过波长控制设备调整无线电波波长,并优化VLF天线)。

  研究人员还发现了一种巧妙调整发射无线电波波长的方法,他们在操作过程中反复切换波长,使该VLF天线能够以大带宽进行有效数据传输,这是实现每秒超过100比特数据传输速率的关键。

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