SLAC udvikler ny kompakt antenne til kommunikation, hvor radioer fejler

En ny type lomme-størrelse antenne, udviklet på Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, kunne muliggøre mobil kommunikation i situationer, hvor konventionelle radioer ikke fungerer, såsom under vand, gennem jorden og over meget lange afstande gennem luften.

Enheden udsender meget lavfrekvent (VLF) stråling med bølgelængder på titalls til hundredvis af miles. Disse bølger rejser lange afstande ud over horisonten og kan trænge ind i miljøer, der blokerer radiobølger med kortere bølgelængder. Mens nutidens mest kraftfulde VLF -teknologi kræver gigantiske emittere, denne antenne er kun fire centimeter høj, så det kan potentielt bruges til opgaver, der kræver høj mobilitet, herunder rednings- og forsvarsmissioner.

"Vores enhed er også hundredvis af gange mere effektiv og kan overføre data hurtigere end tidligere enheder af tilsvarende størrelse, "sagde SLACs Mark Kemp, projektets hovedforsker. "Dens ydeevne skubber grænserne for, hvad der er teknologisk muligt og sætter bærbare VLF -applikationer, som at sende korte tekstbeskeder i udfordrende situationer, Indenfor rækkevidde."

Det SLAC-ledede team rapporterede deres resultater i dag i Naturkommunikation .

En stor udfordring

I moderne telekommunikation, radiobølger transporterer information gennem luften til radioudsendelser, radar- og navigationssystemer og andre applikationer. Men radiobølger med kortere bølgelængde har deres grænser:Det signal, de sender, bliver svagt over meget lange afstande, kan ikke rejse gennem vand og blokeres let af lag af sten.

I modsætning, den længere bølgelængde af VLF -stråling gør det muligt at rejse hundredvis af fødder gennem jord og vand og tusinder af miles ud over horisonten gennem luften.

Imidlertid, VLF -teknologien har også store udfordringer. En antenne er mest effektiv, når dens størrelse er sammenlignelig med den bølgelængde, den udsender; VLF's lange bølgelængde kræver enorme antennearrays, der strækker sig i miles. Mindre VLF -sendere er meget mindre effektive og kan veje hundredvis af pund, begrænsning af deres tilsigtede anvendelse som mobile enheder. En anden udfordring er den lave båndbredde i VLF -kommunikation, som begrænser mængden af ​​data, den kan overføre.

Den nye antenne blev designet med disse spørgsmål for øje. Dens kompakte størrelse kunne gøre det muligt at bygge sendere, der kun vejer et par kilo. I tests, der sendte signaler fra senderen til en modtager 100 fod væk, forskerne demonstrerede, at deres enhed producerede VLF -stråling 300 gange mere effektivt end tidligere kompakte antenner og overførte data med næsten 100 gange større båndbredde.

"Der er mange spændende potentielle applikationer til teknologien, "Sagde Kemp." Vores enhed er optimeret til langdistancekommunikation gennem luft, og vores forskning ser på den grundlæggende videnskab bag metoden for at finde måder til yderligere at forbedre dens muligheder. "

En mekanisk antenne

For at generere VLF -stråling, enheden udnytter det, der kaldes den piezoelektriske effekt, som omdanner mekanisk belastning til en ophobning af elektrisk ladning.

Forskerne brugte en stavformet krystal af et piezoelektrisk materiale, lithiumniobat, som deres antenne. Da de tilførte en oscillerende elektrisk spænding til stangen, vibrerede den, skiftevis krymper og ekspanderer, og denne mekaniske belastning udløste en oscillerende elektrisk strøm, hvis elektromagnetiske energi derefter blev udsendt som VLF -stråling.

Den elektriske strøm stammer fra elektriske ladninger, der bevæger sig op og ned af stangen. I konventionelle antenner, disse bevægelser er tæt på samme størrelse som bølgelængden af ​​den stråling, de producerer, og mere kompakte designs kræver typisk tuning -enheder større end selve antennen. Den nye tilgang, på den anden side, "giver os mulighed for effektivt at ophidse elektromagnetiske bølger med bølgelængder, der er meget større end bevægelserne langs krystallen og uden store tunere, derfor er denne antenne så kompakt, "Sagde Kemp.

Forskerne fandt også en smart måde at justere bølgelængden på den udsendte stråling på, han sagde:"Vi skifter gentagne gange bølgelængden under drift, som giver os mulighed for at sende med en stor båndbredde. Dette er nøglen til at opnå dataoverførselshastigheder på mere end 100 bit pr. Sekund - nok til at sende en simpel tekst. "