Um novo tipo de antena de bolso, desenvolvido no SLAC, pode permitir a comunicação móvel em situações onde os rádios convencionais não funcionam, como debaixo d'água, através do solo e em distâncias muito longas através do ar. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Um novo tipo de antena de bolso, desenvolvido no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, pode permitir a comunicação móvel em situações onde os rádios convencionais não funcionam, como debaixo d'água, através do solo e em distâncias muito longas através do ar.
O dispositivo emite radiação de frequência muito baixa (VLF) com comprimentos de onda de dezenas a centenas de quilômetros. Essas ondas viajam longas distâncias além do horizonte e podem penetrar em ambientes que bloqueariam as ondas de rádio com comprimentos de onda mais curtos. Embora a tecnologia VLF mais poderosa de hoje exija emissores gigantes, esta antena tem apenas dez centímetros de altura, para que pudesse ser usado para tarefas que exigem alta mobilidade, incluindo missões de resgate e defesa.
"Nosso dispositivo também é centenas de vezes mais eficiente e pode transmitir dados mais rápido do que dispositivos anteriores de tamanho comparável, "disse Mark Kemp do SLAC, investigador principal do projeto. "Seu desempenho ultrapassa os limites do que é tecnologicamente possível e coloca aplicativos VLF portáteis, como enviar mensagens de texto curtas em situações desafiadoras, dentro do alcance."
A equipe liderada pelo SLAC relatou seus resultados hoje em Nature Communications .
Um desafio considerável
Nas telecomunicações modernas, ondas de rádio transportam informações por via aérea para transmissões de rádio, radar e sistemas de navegação e outras aplicações. Mas as ondas de rádio de comprimento de onda mais curto têm seus limites:o sinal que elas transmitem torna-se fraco em distâncias muito longas, não pode viajar através da água e é facilmente bloqueado por camadas de rocha.
Uma nova antena compacta para transmissões de frequência muito baixa (VLF), desenvolvido e testado no SLAC, consiste em um cristal piezoelétrico de 4 polegadas de comprimento (haste transparente no centro) que gera radiação VLF. Crédito:Dawn Harmer / SLAC National Accelerator Laboratory
Em contraste, o comprimento de onda mais longo da radiação VLF permite que ele viaje centenas de metros através do solo e da água e milhares de milhas além do horizonte através do ar.
Contudo, A tecnologia VLF também apresenta grandes desafios. Uma antena é mais eficiente quando seu tamanho é comparável ao comprimento de onda que emite; O longo comprimento de onda do VLF requer enormes conjuntos de antenas que se estendem por quilômetros. Transmissores VLF menores são muito menos eficientes e podem pesar centenas de libras, limitando seu uso pretendido como dispositivos móveis. Outro desafio é a baixa largura de banda da comunicação VLF, o que limita a quantidade de dados que pode transmitir.
A nova antena foi projetada com esses problemas em mente. Seu tamanho compacto poderia possibilitar a construção de transmissores que pesam apenas alguns quilos. Em testes que enviaram sinais do transmissor para um receptor a 30 metros de distância, os pesquisadores demonstraram que seu dispositivo produzia radiação VLF 300 vezes mais eficientemente do que as antenas compactas anteriores e transmitia dados com largura de banda quase 100 vezes maior.
"Existem muitas aplicações potenciais interessantes para a tecnologia, "Kemp disse." Nosso dispositivo é otimizado para comunicação de longo alcance pelo ar, e nossa pesquisa está examinando a ciência fundamental por trás do método para encontrar maneiras de aprimorar ainda mais suas capacidades. "
Princípio de uma nova antena compacta de muito baixa frequência (VLF). Consiste em um cristal em forma de haste de um material piezoelétrico, niobato de lítio (centro). Uma tensão elétrica oscilante (onda vermelha) aplicada na parte inferior da haste faz com que ela vibre. Este estresse mecânico dispara uma corrente elétrica oscilante (setas), cuja energia eletromagnética é então emitida como radiação VLF (ondas azuis). O dispositivo pode ser alterado durante as operações para ajustar o comprimento de onda da radiação emitida e otimizar a taxa na qual o dispositivo pode transmitir dados. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Uma antena mecânica
Para gerar radiação VLF, o dispositivo explora o que é conhecido como efeito piezoelétrico, que converte o estresse mecânico em um acúmulo de carga elétrica.
Os pesquisadores usaram um cristal em forma de haste de um material piezoelétrico, niobato de lítio, como sua antena. Quando eles aplicaram uma voltagem elétrica oscilante na haste, ela vibrou, encolhendo e expandindo alternadamente, e esse estresse mecânico disparou uma corrente elétrica oscilante cuja energia eletromagnética foi então emitida como radiação VLF.
A corrente elétrica provém de cargas elétricas que se movem para cima e para baixo na haste. Em antenas convencionais, esses movimentos são quase do mesmo tamanho que o comprimento de onda da radiação que eles produzem, e projetos mais compactos normalmente requerem unidades de sintonização maiores do que a própria antena. A nova abordagem, por outro lado, "nos permite excitar com eficiência ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda muito maiores do que os movimentos ao longo do cristal e sem grandes sintonizadores, é por isso que esta antena é tão compacta, "Kemp disse.
Os pesquisadores também encontraram uma maneira inteligente de ajustar o comprimento de onda da radiação emitida, ele disse:"Nós mudamos repetidamente o comprimento de onda durante a operação, o que nos permite transmitir com uma grande largura de banda. Essa é a chave para alcançar taxas de transferência de dados de mais de 100 bits por segundo - o suficiente para enviar um texto simples. "
