袖珍的甚低频天线：弥补传统无线电通信的不足！

导读

据美国SLAC国家加速器实验室网站近日报道，该实验室研究人员开发出一种袖珍的新型甚低频天线。它产生甚低频辐射的效率更高，传输数据的带宽更大，可应用于搜救和国防等领域。

背景

在现代通信中，空气中的无线电波能为电台、雷达和导航系统以及其他应用传递信息。

天线在接收无线电波（图片来源：维基百科）

但是，波长较短的无线电波具有局限性：它们传递的信号跨越很长距离时会变弱，无法透过水传输，并且很容易被岩石层阻挡。

举例来说，GPS信号就无法深入渗透到水、泥土或者建筑物墙体中，甚至根本无法在这些物体中传播。因此，潜艇或者地下活动（例如矿藏测量）就无法使用GPS信号。在室内或者户外摩天大楼之间，GPS以及其他无线电信号工作效果都会较差。再例如，战争或者灾害救援期间堆满碎石瓦砾的环境，或者是电磁干扰设备，都会阻碍无线电信号的传输，影响士兵完成任务。

然而，波长较长的甚低频（VLF）辐射，为解决上述问题提供了一条途径。甚低频无线电波的频率范围是3kHz~30kHz，对应的波长范围是10千米~100千米。它传播距离远，穿透能力强，可以跨越数百英尺的泥土和水传播，并在空中跨越数千英里长距离传播。

频率为18.1 kHz的甚低频信号的语谱图（图片来源：维基百科）

如今，甚低频信号已经广泛应用于军用与民用等领域，例如：潜艇通讯、远距离通信、远距离导航、无线心跳频率检测器、地球物理学研究和灾害救援等。在诸多应用中，潜艇水下通信的应用最为突出，它能够解决岸上指挥所与海上潜艇进行远距离、大深度通信的难题。

然而，甚低频技术也面临着一些主要挑战。当天线尺寸与天线发出的无线电波波长差不多时，它的效率是最高的；甚低频的长波长需要绵延数英里的庞大天线阵列。较小的甚低频发射器效率会低很多，并且重量也达数百磅，限制了它们在移动设备中的应用。另外一项挑战就是，甚低频通信的低带宽，限制了它可传输的数据量。

甚低频天线阵列（图片来源： 维基百科）

创新

为了解决上述问题，美国能源部SLAC国家加速器实验室近日开发出一种袖珍的新型甚低频天线，它可以在传统无线电波无法工作的环境下实现移动通信，例如水下、地下以及跨越很长的空中距离。

（图片来源：Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室）

4月12日，SLAC 领导的团队将他们的成果发表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上。

技术

该设备发出波长为数十至数百英里的甚低频（VLF）辐射。这些波可以长距离传播，并能穿透那些会阻挡较短波长无线电波的环境。如今，最强大的甚低频技术需要巨型发射器。然而，这种天线的高度只有四英寸，所以它有望用于高机动性要求的任务，包括搜救和国防。

4英寸的压电晶体（位于中间的透明棒）产生甚低频辐射（图片来源：Dawn Harmer/SLAC国家加速器实验室）

这种新型天线设计的小尺寸，使它能够打造只有几磅重的发射器。在从发射器到100英尺之外的接收器发送信号的测试中，研究人员们演示了他们的设备产生甚低频辐射的效率比之前的小型天线高300倍，传输数据的带宽约提高100倍。

新型甚低频天线的测试（图片来源：Dawn Harmer/SLAC国家加速器实验室）

为了产生甚低频辐射，设备利用了所谓的“压电效应”，将机械压力转化为了电荷的积累。

研究人员们采用了一个杆状的压电材料：铌酸锂作为天线。当他们向杆施加振荡电压时，杆会产生振动，交替地收缩与扩张。这种机械压力触发了一个振荡电流，然后其电磁能量以甚低频辐射的形式发射出来。

图片展示了压电谐振器是如何作为发射器使用的。（图片来源：参考资料【1】）

电荷沿着杆向上或者向下移动产生出电流。在传统天线中，这些运动的距离与它们产生的辐射波长差不多，更加紧凑的设计通常需要比天线本身更大的调谐器。从另一方面讲，该项目的首席研究员马克·肯普（Mark Kemp）表示：“这种新方案使我们有效地激发出波长比沿着晶体运动距离大许多的电磁波，并且无需大型调谐器，这就是这种天线如此紧凑的原因。”

研究人员们也发现一种聪明的方法来调整发射辐射的波长，他说：“在操作期间，我们反复地切换波长，以大带宽传输数据。这是实现超过100比特/秒（足够发送一个简单文本）的数据传输速率的关键。”

袖珍的新型甚低频天线的原理图。它由一个杆状的压电材料铌酸锂（左）组成。振荡电压（红色波）施加到杆的底部，使其振动。这种机械压力触发了一个振荡电流（箭头），然后它的电磁能量以甚低频辐射（蓝色波）的形式释放出来。在运行期间，设备可以被切换，从而调整发射辐射的波长，并优化传输数据的速率。（图片来源：Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室）

价值

肯普表示：“我们的设备比之前相当尺寸的设备，效率要高几百倍，传输数据的速度也更快。它的性能突破了目前的技术极限，使得在具有挑战性的环境下发送短信息等便携式甚低频应用变得触手可及。”

他还表示：“这项技术具有许多振奋人心的潜在应用。我们的设备是为了在空中长距离通信而进行优化的，我们正在研究这个方法背后的基础科学，从而找到进一步提升能力的途径。”

关键字

甚低频、通信、天线、压电效应

参考资料

【1】Mark 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

【2】https://www6.slac.stanford.edu/news/2019-04-12-slac-develops-novel-compact-antenna-communicating-where-radios-fail.aspx

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