美國近期開發了一種新型便攜式甚低頻（VLF）天線，可在傳統無線電通信失效的環境中實現移動通信。該技術將具備極其廣闊的軍事應用前景，如水下潛艇、水面艦艇和空中平臺之間，以及地面上下軍事平臺之間的相互快速、高效率通信。

一、項目背景

該項目由美國能源部SLAC國家加速器實驗室牽頭，由國防高級研究計劃局（DARPA）資助，合作機構包括斯坦福國際研究院以及Gooch & Housego公司（一家全球領先光子技術公司）。研究團隊已通過斯坦福大學正式提交了技術專利申請，相關研究結果于4月12日發表在美國《自然通信》雜志上。

VLF通信系統（3 ~30 千赫茲）能發射波長較長的無線電波，可實現在較高頻率下不可行的應用。然而，只有當VLF通信系統的天線長度與其發射的無線電波波長相當時（此處> 1 千米），系統效率才達到最高，這使無線電波發射器實現便攜式應用極具挑戰性。為實現便攜式無線電波發射器達到10 厘米尺寸級，SLAC團隊展示了一種超低損耗的鈮酸鋰壓電電偶極子，它可在聲學共振下驅動，與此前最前沿設備相比，在尺寸相當的情況下，其效率提高了300倍以上。壓電輻射元件由于可在聲波波長處自諧振，消除了對大阻抗匹配網絡的依賴。該諧振的時間調制表明，其數據傳輸帶寬比傳統Bode-Fano的最大帶寬高83倍有余，從而增加了無線電波發射器的比特率，同時可使輻射能量損耗最小化。這些結果將為便攜式“電小天線”（最大尺寸小于工作波長1/2π或1/10的天線）開辟新的應用。

▲SLAC團隊研發的新型便攜式甚低頻（VLF）天線

二、兩大技術挑戰

在現代電信中，無線電波通過空氣傳輸信息，應用于無線電廣播、雷達和導航系統等多個領域。但是，傳統無線電波波長較短，沿地球表面傳播的地波繞射能力較差，傳播有效距離短；其信號強度會隨著傳播距離的延長而逐漸衰減，且不能在水下傳播、容易被巖石層阻擋。相反，VLF無線電波的波長較長，可在空氣中傳播數千公里，并可穿透地面和水面傳播數百公里。

但VLF技術也面臨著兩大技術挑戰。VLF設備需要能夠延伸數公里的巨大天線陣列，當天線的長度與其發射的無線電波波長相當時，VLF設備效率最高。小型VLF發射器效率則低得多，且其重量可達數百斤，限制了它們作為移動通信設備的預期用途。另一個挑戰是VLF通信帶寬較低，限制了它可以有效傳輸的數據量。

新型VLF天線克服了這兩大技術難題。其緊湊的尺寸可以構建重量僅為幾斤的無線電波發射器。在發射器向30多米外的接收器發送信號的測試中，研究人員證明新型VLF天線產生VLF無線電波的效率比之前同等級VLF天線高300倍，并且數據傳輸帶寬幾乎是之前的100倍。

三、VLF天線性能及應用

新型便攜式VLF天線可發射波長為數十至數百英里的VLF無線電波。這些無線電波可在地平線上進行長距離傳傳輸，并穿透短波長無線電波無法通過的環境。雖然如今大部分VLF技術需要體型巨大的發射器，但該天線只有四英寸高（約10厘米），因此未來可用于高機動性任務，如救援、防御任務。

項目首席研究員馬克·肯普表示，VLF天線的通信效率提高了數百倍，可比之前同等尺寸的設備更快地傳輸數據；它的性能突破了技術上限，并使便攜式VLF應用（例如在挑戰性環境中發送簡訊）變得觸手可及。該VLF天線針對空中遠程通信進行了優化，具有廣闊的應用前景。目前，項目團隊正在研究該技術背后的基礎科學，以尋找進一步增強其性能的方法。

四、VLF天線設計原理

電荷在天線上來回移動可以產生電流。在傳統天線中，這些電荷的運動位移與它們產生的無線電波波長相近，并且小型化設計通常需要比天線本身更大的天線調諧器。然而，新型VLF設備可以在無需大型天線協調器的情況下，產生出波長遠大于電荷運動位移的電磁波，因此該設備可以實現小型化無線電通信。

新型VLF天線利用壓電效應（電介質受到外力作用變形時，它的兩個相對表面上出現正負電荷。），將機械應力轉換為電荷的累積，從而產生無線電波。

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。當在桿狀天線底部施加振蕩電壓時，天線通過交替收縮與膨脹引起振動，振動產生的機械應力會觸發振蕩電流，振蕩電流形成的電磁能隨后以VLF無線電波的形式向外傳播。在操作期間，可通過波長控制設備調整無線電波波長，并優化VLF天線傳輸數據的速率（見圖1）。

研究人員還發現了一種巧妙調整發射無線電波波長的方法，他們在操作過程中反復切換波長，使該VLF天線能夠以大帶寬進行有效數據傳輸，這是實現每秒超過100比特數據傳輸速率的關鍵。

來源 ：美國每日航天網站/圖片來自互聯網

軍事科學院軍事科學信息研究中心 唐睿

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