En ny typ av fickstor antenn, utvecklad på SLAC, kan möjliggöra mobil kommunikation i situationer där konventionella radioapparater inte fungerar, som under vatten, genom marken och över mycket långa avstånd genom luften. Upphovsman:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
En ny typ av fickstor antenn, utvecklad vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory, kan möjliggöra mobil kommunikation i situationer där konventionella radioapparater inte fungerar, som under vatten, genom marken och över mycket långa avstånd genom luften.
Enheten avger mycket lågfrekvent (VLF) strålning med våglängder på tiotals till hundratals miles. Dessa vågor reser långa sträckor bortom horisonten och kan tränga in i miljöer som skulle blockera radiovågor med kortare våglängder. Medan dagens mest kraftfulla VLF -teknik kräver gigantiska utsläpp, denna antenn är bara fyra tum lång, så den kan eventuellt användas för uppgifter som kräver hög rörlighet, inklusive räddnings- och försvarsuppdrag.
"Vår enhet är också hundratals gånger effektivare och kan överföra data snabbare än tidigare enheter av jämförbar storlek, "sa SLAC:s Mark Kemp, projektets huvudutredare. "Dess prestanda skjuter gränserna för vad som är tekniskt möjligt och sätter bärbara VLF -applikationer, som att skicka korta textmeddelanden i utmanande situationer, inom räckhåll."
Det SLAC-ledda teamet rapporterade sina resultat idag Naturkommunikation .
En stor utmaning
I modern telekommunikation, radiovågor transporterar information genom luft för radiosändningar, radar- och navigationssystem och andra applikationer. Men radiovågor med kortare våglängd har sina gränser:Signalen de sänder blir svag över mycket långa avstånd, kan inte färdas genom vatten och blockeras lätt av lager av sten.
En ny kompakt antenn för mycket lågfrekventa (VLF) sändningar, utvecklad och testad vid SLAC, består av en 4 tum lång piezoelektrisk kristall (klar stav i mitten) som genererar VLF-strålning. Kredit:Dawn Harmer/SLAC National Accelerator Laboratory
I kontrast, den längre våglängden för VLF -strålning gör att den kan vandra hundratals meter genom mark och vatten och tusentals miles bortom horisonten genom luft.
Dock, VLF -tekniken har också stora utmaningar. En antenn är mest effektiv när dess storlek är jämförbar med den våglängd den avger; VLF:s långa våglängd kräver enorma antennmatriser som sträcker sig i miles. Mindre VLF -sändare är mycket mindre effektiva och kan väga hundratals kilo, begränsa deras avsedda användning som mobila enheter. En annan utmaning är den låga bandbredden för VLF -kommunikation, vilket begränsar mängden data den kan överföra.
Den nya antennen utformades med dessa frågor i åtanke. Dess kompakta storlek kan göra det möjligt att bygga sändare som bara väger några kilo. I tester som skickade signaler från sändaren till en mottagare 100 meter bort, forskarna visade att deras enhet producerade VLF -strålning 300 gånger mer effektivt än tidigare kompakta antenner och överförde data med nästan 100 gånger större bandbredd.
"Det finns många spännande potentiella applikationer för tekniken, "Sa Kemp." Vår enhet är optimerad för långdistanskommunikation genom luft, och vår forskning tittar på den grundläggande vetenskapen bakom metoden för att hitta sätt att ytterligare förbättra dess kapacitet. "
Princip för en ny kompakt mycket lågfrekvent (VLF) antenn. Den består av en stavformad kristall av ett piezoelektriskt material, litiumniobat (i mitten). En oscillerande elektrisk spänning (röd våg) applicerad på botten av stången får den att vibrera. Denna mekaniska spänning utlöser en oscillerande elektrisk ström (pilar) vars elektromagnetiska energi sedan avges som VLF -strålning (blå vågor). Enheten kan växlas under operationer för att justera våglängden för den utsända strålningen och optimera den hastighet med vilken enheten kan överföra data. Upphovsman:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
En mekanisk antenn
För att generera VLF -strålning, enheten utnyttjar det som kallas den piezoelektriska effekten, som omvandlar mekanisk spänning till en uppbyggnad av elektrisk laddning.
Forskarna använde en stavformad kristall av ett piezoelektriskt material, litiumniobat, som deras antenn. När de applicerade en oscillerande elektrisk spänning på stången vibrerade den, växelvis krymper och expanderar, och denna mekaniska spänning utlöste en oscillerande elektrisk ström vars elektromagnetiska energi sedan avges som VLF -strålning.
Den elektriska strömmen härrör från elektriska laddningar som rör sig upp och ner på stången. I konventionella antenner, dessa rörelser är nära samma storlek som våglängden för strålningen de producerar, och mer kompakta konstruktioner kräver vanligtvis tuning -enheter som är större än själva antennen. Det nya tillvägagångssättet, å andra sidan, "tillåter oss att effektivt excitera elektromagnetiska vågor med våglängder som är mycket större än rörelserna längs kristallen och utan stora tuners, det är därför denna antenn är så kompakt, "Sa Kemp.
Forskarna hittade också ett smart sätt att justera våglängden för den utsända strålningen, han sa:"Vi byter upprepade gånger våglängden under drift, vilket gör att vi kan överföra med en stor bandbredd. Detta är nyckeln till att uppnå dataöverföringshastigheter på mer än 100 bitar per sekund - tillräckligt för att skicka en enkel text. "
