Un nuevo tipo de antena de bolsillo, desarrollado en SLAC, podría permitir la comunicación móvil en situaciones en las que las radios convencionales no funcionan, como bajo el agua, a través del suelo y en distancias muy largas a través del aire. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Un nuevo tipo de antena de bolsillo, desarrollado en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, podría permitir la comunicación móvil en situaciones en las que las radios convencionales no funcionan, como bajo el agua, a través del suelo y en distancias muy largas a través del aire.
El dispositivo emite radiación de muy baja frecuencia (VLF) con longitudes de onda de decenas a cientos de millas. Estas ondas viajan largas distancias más allá del horizonte y pueden penetrar entornos que bloquearían las ondas de radio con longitudes de onda más cortas. Si bien la tecnología VLF más potente de la actualidad requiere emisores gigantes, esta antena tiene solo cuatro pulgadas de alto, por lo que podría usarse para tareas que exigen una gran movilidad, incluyendo misiones de rescate y defensa.
"Nuestro dispositivo también es cientos de veces más eficiente y puede transmitir datos más rápido que los dispositivos anteriores de tamaño comparable, "dijo Mark Kemp de SLAC, investigador principal del proyecto. "Su rendimiento supera los límites de lo que es tecnológicamente posible y coloca aplicaciones VLF portátiles, como enviar mensajes de texto cortos en situaciones desafiantes, al alcance."
El equipo dirigido por SLAC informó hoy sus resultados en Comunicaciones de la naturaleza .
Un desafío considerable
En las telecomunicaciones modernas, las ondas de radio transportan información a través del aire para transmisiones de radio, sistemas de radar y navegación y otras aplicaciones. Pero las ondas de radio de longitud de onda más corta tienen sus límites:la señal que transmiten se debilita en distancias muy largas, no puede viajar a través del agua y es fácilmente bloqueado por capas de roca.
Una nueva antena compacta para transmisiones de muy baja frecuencia (VLF), desarrollado y probado en SLAC, Consiste en un cristal piezoeléctrico de 4 pulgadas de largo (varilla transparente en el centro) que genera radiación VLF. Crédito:Dawn Harmer / SLAC National Accelerator Laboratory
A diferencia de, la longitud de onda más larga de la radiación VLF le permite viajar cientos de pies a través del suelo y el agua y miles de millas más allá del horizonte a través del aire.
Sin embargo, La tecnología VLF también presenta importantes desafíos. Una antena es más eficiente cuando su tamaño es comparable a la longitud de onda que emite; La longitud de onda larga de VLF requiere enormes conjuntos de antenas que se extienden por millas. Los transmisores VLF más pequeños son mucho menos eficientes y pueden pesar cientos de libras, limitando su uso previsto como dispositivos móviles. Otro desafío es el bajo ancho de banda de la comunicación VLF, lo que limita la cantidad de datos que puede transmitir.
La nueva antena se diseñó teniendo en cuenta estos aspectos. Su tamaño compacto podría hacer posible construir transmisores que pesen solo unas pocas libras. En pruebas que enviaron señales desde el transmisor a un receptor a 100 pies de distancia, Los investigadores demostraron que su dispositivo producía radiación VLF 300 veces más eficientemente que las antenas compactas anteriores y transmitía datos con un ancho de banda casi 100 veces mayor.
"Hay muchas aplicaciones potenciales interesantes para la tecnología, ", Dijo Kemp." Nuestro dispositivo está optimizado para la comunicación de largo alcance a través del aire, y nuestra investigación está analizando la ciencia fundamental detrás del método para encontrar formas de mejorar aún más sus capacidades ".
Principio de una nueva antena compacta de muy baja frecuencia (VLF). Consiste en un cristal en forma de varilla de un material piezoeléctrico, niobato de litio (centro). Una tensión eléctrica oscilante (onda roja) aplicada a la parte inferior de la varilla la hace vibrar. Esta tensión mecánica desencadena una corriente eléctrica oscilante (flechas) cuya energía electromagnética luego se emite como radiación VLF (ondas azules). El dispositivo se puede cambiar durante las operaciones para ajustar la longitud de onda de la radiación emitida y optimizar la velocidad a la que el dispositivo puede transmitir datos. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Una antena mecanica
Para generar radiación VLF, el dispositivo explota lo que se conoce como efecto piezoeléctrico, que convierte la tensión mecánica en una acumulación de carga eléctrica.
Los investigadores utilizaron un cristal en forma de varilla de un material piezoeléctrico, niobato de litio, como su antena. Cuando aplicaron un voltaje eléctrico oscilante a la varilla, vibró, alternativamente encogiéndose y expandiéndose, y esta tensión mecánica desencadenó una corriente eléctrica oscilante cuya energía electromagnética se emitió como radiación VLF.
La corriente eléctrica proviene de cargas eléctricas que suben y bajan por la varilla. En antenas convencionales, estos movimientos son casi del mismo tamaño que la longitud de onda de la radiación que producen, y los diseños más compactos normalmente requieren unidades de sintonización más grandes que la propia antena. El nuevo enfoque por otra parte, "nos permite excitar de manera eficiente ondas electromagnéticas con longitudes de onda que son mucho más grandes que los movimientos a lo largo del cristal y sin grandes sintonizadores, por eso esta antena es tan compacta, "Dijo Kemp.
Los investigadores también encontraron una forma inteligente de ajustar la longitud de onda de la radiación emitida. dijo:"Cambiamos repetidamente la longitud de onda durante la operación, lo que nos permite transmitir con un gran ancho de banda. Esto es clave para lograr velocidades de transferencia de datos de más de 100 bits por segundo, lo suficiente para enviar un texto simple ".
