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袖珍的甚低頻天線:彌補傳統無線電通信的不足!

4月
13
2019

2019年4月13日13時 智物創新

智物創新

導讀

據美國SLAC國家加速器實驗室網站近日報導,該實驗室研究人員開發出一種袖珍的新型甚低頻天線。它產生甚低頻輻射的效率更高,傳輸數據的帶寬更大,可應用於搜救和國防等領域。

背景

在現代通信中,空氣中的無線電波能為電台、雷達和導航系統以及其他應用傳遞信息。

天線在接收無線電波(圖片來源:維基百科)

但是,波長較短的無線電波具有局限性:它們傳遞的信號跨越很長距離時會變弱,無法透過水傳輸,並且很容易被岩石層阻擋。

舉例來說,GPS信號就無法深入滲透到水、泥土或者建築物牆體中,甚至根本無法在這些物體中傳播。因此,潛艇或者地下活動(例如礦藏測量)就無法使用GPS信號。在室內或者戶外摩天大樓之間,GPS以及其他無線電信號工作效果都會較差。再例如,戰爭或者災害救援期間堆滿碎石瓦礫的環境,或者是電磁干擾設備,都會阻礙無線電信號的傳輸,影響士兵完成任務。

然而,波長較長的甚低頻(VLF)輻射,為解決上述問題提供了一條途徑。甚低頻無線電波的頻率範圍是3kHz~30kHz,對應的波長範圍是10千米~100千米。它傳播距離遠,穿透能力強,可以跨越數百英尺的泥土和水傳播,並在空中跨越數千英里長距離傳播。

頻率為18.1 kHz的甚低頻信號的語譜圖(圖片來源:維基百科)

如今,甚低頻信號已經廣泛應用於軍用與民用等領域,例如:潛艇通訊、遠距離通信、遠距離導航、無線心跳頻率檢測器、地球物理學研究和災害救援等。在諸多應用中,潛艇水下通信的應用最為突出,它能夠解決岸上指揮所與海上潛艇進行遠距離、大深度通信的難題。

然而,甚低頻技術也面臨著一些主要挑戰。當天線尺寸與天線發出的無線電波波長差不多時,它的效率是最高的;甚低頻的長波長需要綿延數英里的龐大天線陣列。較小的甚低頻發射器效率會低很多,並且重量也達數百磅,限制了它們在移動設備中的應用。另外一項挑戰就是,甚低頻通信的低帶寬,限制了它可傳輸的數據量。

甚低頻天線陣列(圖片來源: 維基百科)

創新

為了解決上述問題,美國能源部SLAC國家加速器實驗室近日開發出一種袖珍的新型甚低頻天線,它可以在傳統無線電波無法工作的環境下實現移動通信,例如水下、地下以及跨越很長的空中距離。

(圖片來源:Greg Stewart/SLAC國家加速器實驗室)

4月12日,SLAC 領導的團隊將他們的成果發表在《自然通信(Nature Communications)》期刊上。

技術

該設備發出波長為數十至數百英里的甚低頻(VLF)輻射。這些波可以長距離傳播,並能穿透那些會阻擋較短波長無線電波的環境。如今,最強大的甚低頻技術需要巨型發射器。然而,這種天線的高度只有四英寸,所以它有望用於高機動性要求的任務,包括搜救和國防。

4英寸的壓電晶體(位於中間的透明棒)產生甚低頻輻射(圖片來源:Dawn Harmer/SLAC國家加速器實驗室)

這種新型天線設計的小尺寸,使它能夠打造只有幾磅重的發射器。在從發射器到100英尺之外的接收器發送信號的測試中,研究人員們演示了他們的設備產生甚低頻輻射的效率比之前的小型天線高300倍,傳輸數據的帶寬約提高100倍。

新型甚低頻天線的測試(圖片來源:Dawn Harmer/SLAC國家加速器實驗室)

為了產生甚低頻輻射,設備利用了所謂的「壓電效應」,將機械壓力轉化為了電荷的積累。

研究人員們採用了一個杆狀的壓電材料:鈮酸鋰作為天線。當他們向杆施加振蕩電壓時,杆會產生振動,交替地收縮與擴張。這種機械壓力觸發了一個振蕩電流,然後其電磁能量以甚低頻輻射的形式發射出來。

圖片展示了壓電諧振器是如何作為發射器使用的。(圖片來源:參考資料1)

電荷沿著杆向上或者向下移動產生出電流。在傳統天線中,這些運動的距離與它們產生的輻射波長差不多,更加緊湊的設計通常需要比天線本身更大的調諧器。從另一方面講,該項目的首席研究員馬克·肯普(Mark Kemp)表示:「這種新方案使我們有效地激發出波長比沿著晶體運動距離大許多的電磁波,並且無需大型調諧器,這就是這種天線如此緊湊的原因。」

研究人員們也發現一種聰明的方法來調整發射輻射的波長,他說:「在操作期間,我們反覆地切換波長,以大帶寬傳輸數據。這是實現超過100比特/秒(足夠發送一個簡單文本)的數據傳輸速率的關鍵。」

袖珍的新型甚低頻天線的原理圖。它由一個杆狀的壓電材料鈮酸鋰(左)組成。振蕩電壓(紅色波)施加到杆的底部,使其振動。這種機械壓力觸發了一個振蕩電流(箭頭),然後它的電磁能量以甚低頻輻射(藍色波)的形式釋放出來。在運行期間,設備可以被切換,從而調整發射輻射的波長,並優化傳輸數據的速率。(圖片來源:Greg Stewart/SLAC國家加速器實驗室)

價值

肯普表示:「我們的設備比之前相當尺寸的設備,效率要高几百倍,傳輸數據的速度也更快。它的性能突破了目前的技術極限,使得在具有挑戰性的環境下發送簡訊息等可攜式甚低頻應用變得觸手可及。」

他還表示:「這項技術具有許多振奮人心的潛在應用。我們的設備是為了在空中長距離通信而進行優化的,我們正在研究這個方法背後的基礎科學,從而找到進一步提升能力的途徑。」

關鍵字

甚低頻、通信、天線、壓電效應

參考資料

1Mark A. Kemp, Matt Franzi, Andy Haase, Erik Jongewaard, Matthew T. Whittaker, Michael Kirkpatrick, Robert Sparr. A high Q piezoelectric resonator as a portable VLF transmitter. Nature

Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-09680-2


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