Национальная ускорительная лаборатория SLAC Министерства энергетики США разработала новую карманную антенну, которая должна будет обеспечить возможность работы мобильной связи в местах, где обычные радиосистемы не работают – в частности, под водой, в подземельях, а также на дальних расстояниях в воздушном пространстве.
Устройство излучает радиоволны очень низкой частоты (VLF), длиной от десятков до сотен миль. Такие волны могут распространяться на огромные расстояния за горизонт, а также способны преодолевать преграды, которые обычно блокируют более короткие волны. В отличие от привычных технологических решений для излучения подобных волн, требующих установки излучателей больших габаритов, данная антенна имеет размер всего в четыре дюйма, и, соответственно, может использоваться для выполнения задач, требующих высокой мобильности, в частности, миссий обороны и спасения.
По словам главного исследователя проекта, Марка Кемпа из SLAC, эффективность данного устройства в сотни раз превышает эффективность работы всех прежних устройств такого размера, а кроме того оно способно передавать данные намного быстрее. Он утверждает, что производительность устройства расширяет рамки технологических возможностей, а также делает доступной работу портативных VLF-приложений – таких, в частности, как отправка коротких текстовых сообщений в сложных условиях. Команда лаборатории SLAC представила результаты своих разработок на страницах издания Nature Communications.
Группа исследователей работала над проблемой размера, поскольку в современной системе телекоммуникаций радиоволны переносят через эфир информацию, передаваемую вещательными станциями, радарами, навигационными системами и другими устройствами. Однако распространение радиоволн короткой длины имеет свои ограничения. Данные ограничения связаны с тем, что передаваемый сигнал ослабевает, проходя большие расстояния, а также не может проникать через воду и блокируется толщей почвы.
В тоже время, намного большая длина волн VLF-спектра позволяет им проникать вглубь земли на много метров и преодолевать в воздухе расстояния в тысячи километров за горизонтом. Для создания VLF-излучения устройство использует пьезоэлектрический эффект, преобразующий механическое напряжение в электрический заряд.
В качестве антенны в исследовании использовался стержневидный кристалл пьезоэлектрического материала и ниобата лития. Передача на стержень колеблющегося электрического напряжения приводило к его вибрации или же к сжатию и расширению. Данное механическое напряжение вызывало колеблющийся электрический ток, электромагнитная энергия которого затем излучалась в виде VLF-излучения.
Электрический ток создаётся разрядами, движущимися вверх и вниз по стержню. Обычно амплитуды этих движений близки по своей длине к длине волны, излучаемой ими. А более компактный размер требует более существенного в сравнении с антенной размера блока настройки.
Исследователи также изобрели интеллектуальный способ подгонки длины излучаемой волны. Неоднократное переключение длины волны в процессе работы позволяло им передавать информацию с большей шириной канала. Такое решение является ключом для достижения скорости передачи данных в более 100 бит в секунду, что достаточно для отправки простого текста.
