一、項(xiàng)目背景

該項(xiàng)目由美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室牽頭，由國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）資助，合作機(jī)構(gòu)包括斯坦福國(guó)際研究院以及Gooch & Housego公司（一家全球領(lǐng)先光子技術(shù)公司）。研究團(tuán)隊(duì)已通過(guò)斯坦福大學(xué)正式提交了技術(shù)專利申請(qǐng)，相關(guān)研究結(jié)果于4月12日發(fā)表在美國(guó)《自然通信》雜志上。

VLF通信系統(tǒng)（3 ~30 千赫茲）能發(fā)射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的無(wú)線電波，可實(shí)現(xiàn)在較高頻率下不可行的應(yīng)用。然而，只有當(dāng)VLF通信系統(tǒng)的天線長(zhǎng)度與其發(fā)射的無(wú)線電波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)（此處> 1 千米），系統(tǒng)效率才達(dá)到最高，這使無(wú)線電波發(fā)射器實(shí)現(xiàn)便攜式應(yīng)用極具挑戰(zhàn)性。為實(shí)現(xiàn)便攜式無(wú)線電波發(fā)射器達(dá)到10 厘米尺寸級(jí)，SLAC團(tuán)隊(duì)展示了一種超低損耗的鈮酸鋰壓電電偶極子，它可在聲學(xué)共振下驅(qū)動(dòng)，與此前最前沿設(shè)備相比，在尺寸相當(dāng)?shù)那闆r下，其效率提高了300倍以上。壓電輻射元件由于可在聲波波長(zhǎng)處自諧振，消除了對(duì)大阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的依賴。該諧振的時(shí)間調(diào)制表明，其數(shù)據(jù)傳輸帶寬比傳統(tǒng)Bode-Fano的最大帶寬高83倍有余，從而增加了無(wú)線電波發(fā)射器的比特率，同時(shí)可使輻射能量損耗最小化。這些結(jié)果將為便攜式“電小天線”（最大尺寸小于工作波長(zhǎng) 1/2π或1/10的天線）開(kāi)辟新的應(yīng)用。

▲SLAC團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型便攜式甚低頻（VLF）天線

二、兩大技術(shù)挑戰(zhàn)

在現(xiàn)代電信中，無(wú)線電波通過(guò)空氣傳輸信息，應(yīng)用于無(wú)線電廣播、雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。但是，傳統(tǒng)無(wú)線電波波長(zhǎng)較短，沿地球表面?zhèn)鞑サ牡夭ɡ@射能力較差，傳播有效距離短；其信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著傳播距離的延長(zhǎng)而逐漸衰減，且不能在水下傳播、容易被巖石層阻擋。相反，VLF無(wú)線電波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，可在空氣中傳播數(shù)千公里，并可穿透地面和水面?zhèn)鞑?shù)百公里。

但VLF技術(shù)也面臨著兩大技術(shù)挑戰(zhàn)。VLF設(shè)備需要能夠延伸數(shù)公里的巨大天線陣列，當(dāng)天線的長(zhǎng)度與其發(fā)射的無(wú)線電波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，VLF設(shè)備效率最高。小型VLF發(fā)射器效率則低得多，且其重量可達(dá)數(shù)百斤，限制了它們作為移動(dòng)通信設(shè)備的預(yù)期用途。另一個(gè)挑戰(zhàn)是VLF通信帶寬較低，限制了它可以有效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

新型VLF天線克服了這兩大技術(shù)難題。其緊湊的尺寸可以構(gòu)建重量?jī)H為幾斤的無(wú)線電波發(fā)射器。在發(fā)射器向30多米外的接收器發(fā)送信號(hào)的測(cè)試中，研究人員證明新型VLF天線產(chǎn)生VLF無(wú)線電波的效率比之前同等級(jí)VLF天線高300倍，并且數(shù)據(jù)傳輸帶寬幾乎是之前的100倍。

  三、VLF天線性能及應(yīng)用

新型便攜式VLF天線可發(fā)射波長(zhǎng)為數(shù)十至數(shù)百英里的VLF無(wú)線電波。這些無(wú)線電波可在地平線上進(jìn)行長(zhǎng)距離傳傳輸，并穿透短波長(zhǎng)無(wú)線電波無(wú)法通過(guò)的環(huán)境。雖然如今大部分VLF技術(shù)需要體型巨大的發(fā)射器，但該天線只有四英寸高（約10厘米），因此未來(lái)可用于高機(jī)動(dòng)性任務(wù)，如救援、防御任務(wù)。

項(xiàng)目首席研究員馬克·肯普表示，VLF天線的通信效率提高了數(shù)百倍，可比之前同等尺寸的設(shè)備更快地傳輸數(shù)據(jù)；它的性能突破了技術(shù)上限，并使便攜式VLF應(yīng)用（例如在挑戰(zhàn)性環(huán)境中發(fā)送簡(jiǎn)訊）變得觸手可及。該VLF天線針對(duì)空中遠(yuǎn)程通信進(jìn)行了優(yōu)化，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正在研究該技術(shù)背后的基礎(chǔ)科學(xué)，以尋找進(jìn)一步增強(qiáng)其性能的方法。

 四、VLF天線設(shè)計(jì)原理

電荷在天線上來(lái)回移動(dòng)可以產(chǎn)生電流。在傳統(tǒng)天線中，這些電荷的運(yùn)動(dòng)位移與它們產(chǎn)生的無(wú)線電波波長(zhǎng)相近，并且小型化設(shè)計(jì)通常需要比天線本身更大的天線調(diào)諧器。然而，新型VLF設(shè)備可以在無(wú)需大型天線協(xié)調(diào)器的情況下，產(chǎn)生出波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于電荷運(yùn)動(dòng)位移的電磁波，因此該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)小型化無(wú)線電通信。

新型VLF天線利用壓電效應(yīng)（電介質(zhì)受到外力作用變形時(shí)，它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)電荷。），將機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電荷的累積，從而產(chǎn)生無(wú)線電波。

研究人員使用桿狀晶體壓電材料“鈮酸鋰”作為新型VLF天線材料。當(dāng)在桿狀天線底部施加振蕩電壓時(shí)，天線通過(guò)交替收縮與膨脹引起振動(dòng)，振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力會(huì)觸發(fā)振蕩電流，振蕩電流形成的電磁能隨后以VLF無(wú)線電波的形式向外傳播。在操作期間，可通過(guò)波長(zhǎng)控制設(shè)備調(diào)整無(wú)線電波波長(zhǎng)，并優(yōu)化VLF天線傳輸數(shù)據(jù)的速率（見(jiàn)圖1）。

研究人員還發(fā)現(xiàn)了一種巧妙調(diào)整發(fā)射無(wú)線電波波長(zhǎng)的方法，他們?cè)诓僮鬟^(guò)程中反復(fù)切換波長(zhǎng)，使該VLF天線能夠以大帶寬進(jìn)行有效數(shù)據(jù)傳輸，這是實(shí)現(xiàn)每秒超過(guò)100比特?cái)?shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)鍵。