Россияне разработали новую антенну для связи на сверхнизких частотах

Устройство, размеры которого кардинально меньше традиционных аналогов, успешно прошло испытания. Это открывает путь к созданию портативных систем для подводной коммуникации, отмечают разработчики.

Длины электромагнитных волн в диапазоне ОНЧ составляют десятки километров, что означает необходимость в гигантских антенных сооружениях. Классический пример — американский передатчик The VLF Transmitter Cutler, потребляющий около двух мегаватт энергии и занимающий территорию 8,1 квадратных километра (около 1130 футбольных полей). Такие системы абсолютно не портативны и очень дороги в эксплуатации.

Чтобы обойти это ограничение, ученые активно разрабатывают так называемые механические антенны. Они не гоняют ток по металлическому проводнику, как это происходит в классическом передатчике, а генерируют электромагнитное излучение за счет механического движения электрических зарядов или магнитных диполей (простых магнитов с двумя полюсами — северным и южным). Чтобы возникло электромагнитное излучение, необходимо быстро вращать такой магнит вокруг своей оси. Но у подобных систем тоже есть ограничения — проблемы с точностью контроля скорости вращения и инерционностью. Кроме того, такие устройства отличаются медленной передачей данных.

Более перспективным направлением считаются магнитоэлектрические антенны. Их работа основана на обратном магнитоэлектрическом эффекте. На специальный композитный материал подаётся электрическое напряжение, и он в ответ создаёт магнитное поле. Композит состоит из двух ключевых компонентов. Это пьезоэлектрик и магнитострикционный материал.

Первый при подаче на него переменного электрического напряжения начинает механически сжиматься и разжиматься. Второй, будучи приклеенным к пьезоэлектрику, деформируется вместе с ним. Это заставляет его колебаться, в результате чего меняются магнитные свойства материала. Переменная намагниченность в магнитострикционном материале генерирует переменное магнитное поле в окружающем пространстве. Это и есть излучение на очень низких частотах.

Такой подход позволяет обойти предел Чу‑Харрингтона. Размер антенны определяется длиной не электромагнитной, а акустической волны в твёрдом материале. Таким образом можно добиться серьёзного уменьшения размеров передающих и приёмных антенн. Однако для высокой эффективности работы магнитоэлектрической антенны её пьезоэлектрический материал должен обладать высокими параметрами. Он должен иметь высокий пьезоэлектрический коэффициент и механическую добротность. Первый отвечает за силу, с которой материал деформируется при подаче напряжения. Второй характеризует потери энергии при вибрации. Но в большинстве известных композитов улучшение одного параметра ведёт к ухудшению свойств другого.

Учёные создали новый материал, который решает эти проблемы. Его основа — классическая пьезокерамика, состоящая из цирконата‑титаната свинца. Исследователи модифицировали её состав, добавив индий и ниобий, а также марганец и сурьму.

Полученная керамика показала качественные и сбалансированные характеристики. Пьезоэлектрический коэффициент составил 401 пКл/Н, а механическая добротность — 1510 пКл/Н. Первый показывает то, насколько сильно материал сжимается или растягивается при подаче напряжения. Чем выше показатель, тем мощнее вибрация. Второй параметр отражает, насколько мало энергии теряется при этой вибрации на бесполезный нагрев. Чем он выше, тем эффективнее работает антенна.

Испытания показали, что магнитоэлектрическая антенна на основе этого композита генерирует магнитное поле почти в два раза сильнее, чем передатчик на основе одного из лучших коммерческих образцов пьезокерамики PZT-8. Обратный магнитоэлектрический коэффициент составил 1,78 Гаусс·см/В. При размере антенны 14 см в длину создаваемое ею магнитное поле можно было зафиксировать на расстоянии нескольких метров. Сигнал передачи данных от такой антенны будет распространяться на расстояние до 100 м.

Сообщение Россияне разработали новую антенну для связи на сверхнизких частотах появились сначала на Время электроники.