Новая миниатюрная низкочастотная антенна с расширенной полосой пропускания позволит компактным мобильным роботам надежно работать в сети в сложных условиях.
В результате совместных усилий исследовательской лаборатории армии США по развитию боевых возможностей и Университета Мичигана исследователи разработали новый подход к проектированию, который устраняет ограничения обычных антенн, работающих на низких частотах, демонстрируя антенны меньшего размера, которые сохраняют рабочие характеристики.
Согласование импеданса — ключевой аспект конструкции антенны , гарантирующий, что радиостанция передает мощность через антенну с минимальными отражениями в режиме передачи — и что, когда антенна находится в режиме приема, она захватывает мощность для эффективного подключения к радиостанции на всех частотах в пределах рабочая полоса пропускания.
«Традиционные методы согласования импеданса с пассивными компонентами, такими как резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, имеют фундаментальный предел, известный как предел Чу-Уиллера, который определяет границу для максимально достижимого продукта эффективности полосы пропускания для данного размера антенны», — сказал он. Военный исследователь доктор Фикаду Дагефу. «Как правило, низкочастотные антенны имеют большие размеры или их миниатюрные аналоги имеют очень ограниченную полосу пропускания и эффективность, что приводит к более высоким требованиям к мощности».
Помня об этих проблемах, исследователи разработали новый подход, который улучшает полосу пропускания и эффективность без увеличения размера или изменения топологии антенны.
«Предлагаемый подход согласования импеданса применяет модульную активную схему к очень миниатюрной, эффективной и легкой антенне, преодолевая вышеупомянутый предел производительности Чу-Уиллера», — сказал армейский постдокторант доктор Джихун Чой. «Эта миниатюрная антенна с активным согласованием позволяет интегрировать энергоэффективные низкочастотные радиосистемы в компактные мобильные средства, такие как беспилотные наземные и летательные аппараты».
Исследователи заявили, что такой подход может создать новые возможности для взаимодействия в армии.
Возможность интегрировать низкочастотные радиосистемы с малым размером, весом и мощностью — или SWAP — открывает дверь для использования этой недостаточно используемой и малоизученной полосы частот как части парадигмы гетерогенных автономных сетей. В этой парадигме агенты, оснащенные дополнительными средствами связи, должны адаптировать свои подходы, основанные на проблемах окружающей среды, для этой конкретной миссии. В частности, более низкие частоты подходят для надежной связи в сложных условиях распространения и на местности из-за их улучшенного проникновения и уменьшения многолучевости.
«Мы интегрировали разработанную антенну в небольшие беспилотные наземные транспортные средства и продемонстрировали надежную передачу цифрового видео в реальном времени между UGV, чего раньше не было с такими компактными низкочастотными радиосистемами», — сказал Дагефу. «Используя эту технологию, роботы-агенты могут координировать и формировать команды, обеспечивая уникальные возможности, такие как распределенное формирование луча по требованию для направленной и безопасной сети на поле боя».
По словам исследователей, к 2050 году более 80 процентов населения мира будет жить в густонаселенной городской среде, поэтому для создания и поддержания трансформационного превосходства необходимы инновационные сетевые возможности армии. Отсутствие фиксированной инфраструктуры в сочетании с растущей потребностью в конкурентном преимуществе по сравнению с почти равноправными противниками создает дополнительные проблемы для армейских сетей, что является главным приоритетом модернизации для многодоменных операций.
В то время как предыдущие экспериментальные исследования продемонстрировали расширение полосы пропускания за счет активного согласования, примененного к небольшой нерезонансной антенне (например, короткому металлическому проводу), никакие предыдущие работы не обеспечивали одновременно повышение полосы пропускания и эффективности излучения по сравнению с небольшими резонансными антеннами с характеристиками, близкими к Chu-Wheeler. предел.
Подход к проектированию активного согласования под руководством армии решает эти ключевые проблемы, возникающие из-за компромисса между пропускной способностью, эффективностью и стабильностью. Исследователи построили 15-сантиметровый прототип (2 процента рабочей длины волны) и продемонстрировали, что новая конструкция обеспечивает более чем трехкратное расширение полосы пропускания по сравнению с той же антенной без применения активного согласования, а также повышает эффективность передачи в 10 раз по сравнению с государством. -современные активно согласованные антенны одинакового размера.
«В конструкции очень точная модель отражает резкие колебания импеданса миниатюрной резонансной антенны», — сказал Чой. «На основе модели мы разрабатываем активную согласующую схему, которая одновременно увеличивает полосу пропускания и эффективность, обеспечивая при этом полную стабильность».
Команда опубликовала свое исследование «Миниатюрная антенна с активным согласованием для энергоэффективной работы с расширенной полосой пропускания на низком диапазоне УКВ», автором которого является доктор. Джихун Чой, Фикаду Дагефу, Брайан Сэдлер и профессор Камал Сарабанди в рецензируемом журнале Institute of Electrical and Electronics Engineers Transactions on Antennas and Propagagation .
«Эта технология созрела для будущего развития и передачи нашим различным партнерам в армии», — сказал Дагефу. «Мы оптимистично настроены в том, что с интеграцией аспектов наших исследований гетерогенных сетей эта технология получит дальнейшее развитие и будет интегрирована в будущие системы связи армии».