Un nouveau type d'antenne de poche, développé au SLAC, pourrait permettre la communication mobile dans des situations où les radios conventionnelles ne fonctionnent pas, comme sous l'eau, à travers le sol et sur de très longues distances dans l'air. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Un nouveau type d'antenne de poche, développé au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie, pourrait permettre la communication mobile dans des situations où les radios conventionnelles ne fonctionnent pas, comme sous l'eau, à travers le sol et sur de très longues distances dans l'air.
L'appareil émet un rayonnement à très basse fréquence (VLF) avec des longueurs d'onde de dizaines à des centaines de kilomètres. Ces ondes parcourent de longues distances au-delà de l'horizon et peuvent pénétrer dans des environnements qui bloqueraient les ondes radio avec des longueurs d'onde plus courtes. Alors que la technologie VLF la plus puissante d'aujourd'hui nécessite des émetteurs gigantesques, cette antenne ne mesure que quatre pouces de haut, il pourrait donc potentiellement être utilisé pour des tâches nécessitant une grande mobilité, y compris les missions de sauvetage et de défense.
"Notre appareil est également des centaines de fois plus efficace et peut transmettre des données plus rapidement que les appareils précédents de taille comparable, " a déclaré Mark Kemp du SLAC, le chercheur principal du projet. « Ses performances repoussent les limites de ce qui est technologiquement possible et mettent les applications VLF portables, comme envoyer de courts messages texte dans des situations difficiles, à portée de main."
L'équipe dirigée par le SLAC a présenté ses résultats aujourd'hui en Communication Nature .
Un défi de taille
Dans les télécommunications modernes, les ondes radio transportent des informations dans les airs pour les émissions radio, systèmes de radar et de navigation et autres applications. Mais les ondes radio de plus courte longueur d'onde ont leurs limites :le signal qu'elles transmettent devient faible sur de très longues distances, ne peut pas voyager dans l'eau et est facilement bloqué par des couches de roche.
Une nouvelle antenne compacte pour les transmissions à très basse fréquence (VLF), développé et testé au SLAC, se compose d'un cristal piézoélectrique de 4 pouces de long (tige transparente au centre) qui génère un rayonnement VLF. Crédit :Dawn Harmer/SLAC National Accelerator Laboratory
En revanche, la longueur d'onde plus longue du rayonnement VLF lui permet de parcourir des centaines de pieds à travers le sol et l'eau et des milliers de kilomètres au-delà de l'horizon dans l'air.
Cependant, La technologie VLF s'accompagne également de défis majeurs. Une antenne est plus efficace lorsque sa taille est comparable à la longueur d'onde qu'elle émet; La grande longueur d'onde du VLF nécessite d'énormes réseaux d'antennes qui s'étendent sur des kilomètres. Les émetteurs VLF plus petits sont beaucoup moins efficaces et peuvent peser des centaines de livres, limitant leur utilisation prévue en tant qu'appareils mobiles. Un autre défi est la faible bande passante de la communication VLF, ce qui limite la quantité de données qu'il peut transmettre.
La nouvelle antenne a été conçue en tenant compte de ces problèmes. Sa taille compacte pourrait permettre de construire des émetteurs qui ne pèsent que quelques kilos. Dans les tests qui ont envoyé des signaux de l'émetteur à un récepteur à 100 pieds de distance, les chercheurs ont démontré que leur appareil produisait un rayonnement VLF 300 fois plus efficacement que les antennes compactes précédentes et transmettait des données avec une bande passante presque 100 fois supérieure.
« Il existe de nombreuses applications potentielles intéressantes pour la technologie, " a déclaré Kemp. "Notre appareil est optimisé pour la communication à longue portée par voie aérienne, et notre recherche examine la science fondamentale derrière la méthode pour trouver des moyens d'améliorer encore ses capacités. »
Principe d'une nouvelle antenne compacte à très basse fréquence (VLF). Il se compose d'un cristal en forme de tige d'un matériau piézoélectrique, niobate de lithium (centre). Une tension électrique oscillante (onde rouge) appliquée au bas de la tige la fait vibrer. Cette contrainte mécanique déclenche un courant électrique oscillant (flèches) dont l'énergie électromagnétique est alors émise sous forme de rayonnement VLF (ondes bleues). L'appareil peut être commuté pendant les opérations pour ajuster la longueur d'onde du rayonnement émis et optimiser la vitesse à laquelle l'appareil peut transmettre des données. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Une antenne mécanique
Pour générer un rayonnement VLF, l'appareil exploite ce que l'on appelle l'effet piézoélectrique, qui convertit le stress mécanique en une accumulation de charge électrique.
Les chercheurs ont utilisé un cristal en forme de tige d'un matériau piézoélectrique, niobate de lithium, comme leur antenne. Lorsqu'ils appliquaient une tension électrique oscillante à la tige, celle-ci vibrait, rétrécissant et s'étendant alternativement, et cette contrainte mécanique a déclenché un courant électrique oscillant dont l'énergie électromagnétique a ensuite été émise sous forme de rayonnement VLF.
Le courant électrique provient des charges électriques se déplaçant de haut en bas de la tige. Dans les antennes conventionnelles, ces mouvements sont proches de la même taille que la longueur d'onde du rayonnement qu'ils produisent, et les conceptions plus compactes nécessitent généralement des unités de réglage plus grandes que l'antenne elle-même. La nouvelle approche, d'autre part, "nous permet d'exciter efficacement les ondes électromagnétiques avec des longueurs d'onde beaucoup plus grandes que les mouvements le long du cristal et sans grands tuners, c'est pourquoi cette antenne est si compacte, " a déclaré Kemp.
Les chercheurs ont également trouvé un moyen astucieux d'ajuster la longueur d'onde du rayonnement émis, il a dit:"Nous changeons à plusieurs reprises la longueur d'onde pendant le fonctionnement, ce qui nous permet de transmettre avec une large bande passante. C'est la clé pour atteindre des taux de transfert de données de plus de 100 bits par seconde, assez pour envoyer un simple texte."
