導(dǎo)讀

據(jù)美國SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站近日報(bào)道，該實(shí)驗(yàn)室研究人員開發(fā)出一種袖珍的新型甚低頻天線。它產(chǎn)生甚低頻輻射的效率更高，傳輸數(shù)據(jù)的帶寬更大，可應(yīng)用于搜救和國防等領(lǐng)域。

背景

在現(xiàn)代通信中，空氣中的無線電波能為電臺、雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他應(yīng)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(shí)會變?nèi)?，無法透過水傳輸，并且很容易被巖石層阻擋。

舉例來說，GPS信號就無法深入滲透到水、泥土或者建筑物墻體中，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(nèi)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(zhàn)爭或者災(zāi)害救援期間堆滿碎石瓦礫的環(huán)境，或者是電磁干擾設(shè)備，都會阻礙無線電信號的傳輸，影響士兵完成任務(wù)。

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范圍是3kHz~30kHz，對應(yīng)的波長范圍是10千米~100千米。它傳播距離遠(yuǎn)，穿透能力強(qiáng)，可以跨越數(shù)百英尺的泥土和水傳播，并在空中跨越數(shù)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(jīng)廣泛應(yīng)用于軍用與民用等領(lǐng)域，例如：潛艇通訊、遠(yuǎn)距離通信、遠(yuǎn)距離導(dǎo)航、無線心跳頻率檢測器、地球物理學(xué)研究和災(zāi)害救援等。在諸多應(yīng)用中，潛艇水下通信的應(yīng)用最為突出，它能夠解決岸上指揮所與海上潛艇進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大深度通信的難題。

然而，甚低頻技術(shù)也面臨著一些主要挑戰(zhàn)。當(dāng)天線尺寸與天線發(fā)出的無線電波波長差不多時(shí)，它的效率是最高的；甚低頻的長波長需要綿延數(shù)英里的龐大天線陣列。較小的甚低頻發(fā)射器效率會低很多，并且重量也達(dá)數(shù)百磅，限制了它們在移動設(shè)備中的應(yīng)用。另外一項(xiàng)挑戰(zhàn)就是，甚低頻通信的低帶寬，限制了它可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

甚低頻天線陣列（圖片來源： 維基百科）

創(chuàng)新

為了解決上述問題，美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室近日開發(fā)出一種袖珍的新型甚低頻天線，它可以在傳統(tǒng)無線電波無法工作的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)室）

4月12日，SLAC 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)將他們的成果發(fā)表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上。

技術(shù)

該設(shè)備發(fā)出波長為數(shù)十至數(shù)百英里的甚低頻（VLF）輻射。這些波可以長距離傳播，并能穿透那些會阻擋較短波長無線電波的環(huán)境。如今，最強(qiáng)大的甚低頻技術(shù)需要巨型發(fā)射器。然而，這種天線的高度只有四英寸，所以它有望用于高機(jī)動性要求的任務(wù)，包括搜救和國防。

4英寸的壓電晶體（位于中間的透明棒）產(chǎn)生甚低頻輻射（圖片來源：Dawn Harmer/SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室）

這種新型天線設(shè)計(jì)的小尺寸，使它能夠打造只有幾磅重的發(fā)射器。在從發(fā)射器到100英尺之外的接收器發(fā)送信號的測試中，研究人員們演示了他們的設(shè)備產(chǎn)生甚低頻輻射的效率比之前的小型天線高300倍，傳輸數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)室）

為了產(chǎn)生甚低頻輻射，設(shè)備利用了所謂的“壓電效應(yīng)”，將機(jī)械壓力轉(zhuǎn)化為了電荷的積累。

研究人員們采用了一個(gè)桿狀的壓電材料：鈮酸鋰作為天線。當(dāng)他們向桿施加振蕩電壓時(shí)，桿會產(chǎn)生振動，交替地收縮與擴(kuò)張。這種機(jī)械壓力觸發(fā)了一個(gè)振蕩電流，然后其電磁能量以甚低頻輻射的形式發(fā)射出來。

圖片展示了壓電諧振器是如何作為發(fā)射器使用的。（圖片來源：參考資料【1】）

電荷沿著桿向上或者向下移動產(chǎn)生出電流。在傳統(tǒng)天線中，這些運(yùn)動的距離與它們產(chǎn)生的輻射波長差不多，更加緊湊的設(shè)計(jì)通常需要比天線本身更大的調(diào)諧器。從另一方面講，該項(xiàng)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(fā)出波長比沿著晶體運(yùn)動距離大許多的電磁波，并且無需大型調(diào)諧器，這就是這種天線如此緊湊的原因。”

研究人員們也發(fā)現(xiàn)一種聰明的方法來調(diào)整發(fā)射輻射的波長，他說：“在操作期間，我們反復(fù)地切換波長，以大帶寬傳輸數(shù)據(jù)。這是實(shí)現(xiàn)超過100比特/秒（足夠發(fā)送一個(gè)簡單文本）的數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)鍵。”

袖珍的新型甚低頻天線的原理圖。它由一個(gè)桿狀的壓電材料鈮酸鋰（左）組成。振蕩電壓（紅色波）施加到桿的底部，使其振動。這種機(jī)械壓力觸發(fā)了一個(gè)振蕩電流（箭頭），然后它的電磁能量以甚低頻輻射（藍(lán)色波）的形式釋放出來。在運(yùn)行期間，設(shè)備可以被切換，從而調(diào)整發(fā)射輻射的波長，并優(yōu)化傳輸數(shù)據(jù)的速率。（圖片來源：Greg Stewart/SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室）

價(jià)值

肯普表示：“我們的設(shè)備比之前相當(dāng)尺寸的設(shè)備，效率要高幾百倍，傳輸數(shù)據(jù)的速度也更快。它的性能突破了目前的技術(shù)極限，使得在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境下發(fā)送短信息等便攜式甚低頻應(yīng)用變得觸手可及。”

他還表示：“這項(xiàng)技術(shù)具有許多振奮人心的潛在應(yīng)用。我們的設(shè)備是為了在空中長距離通信而進(jìn)行優(yōu)化的，我們正在研究這個(gè)方法背后的基礎(chǔ)科學(xué)，從而找到進(jìn)一步提升能力的途徑。”

關(guān)鍵字

甚低頻、通信、天線、壓電效應(yīng)

參考資料

【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