Физики из НовГУ совместно с коллегами из Китая разработали опытный образец новой магнитоэлектрической антенны для связи на очень низких частотах. Устройство, размеры которого кардинально меньше традиционных аналогов, успешно прошло испытания. Это открывает путь к созданию портативных систем для подводной коммуникации.
Авторами проекта от НовГУ стали заслуженный деятель науки РФ, профессор, доктор физико-математичеких наук, заведующий кафедрой проектирования и технологии радиоаппаратуры Мирза Бичурин, ведущий научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Олег Соколов и магистрант кафедры Сергей Иванов.
Под водой беспроводная связь, к которой мы привыкли на суше, почти невозможна. Радиоволны легко распространяются в воздухе, но в море быстро затухают. Передача информации с помощью звуковых волн (как у дельфинов и китов) решает эту проблему, но такой вид связи имеет ряд недостатков: большую задержку передачи, многолучевое распространение (эхо) и чувствительность к помехам.
Решением является использование электромагнитных волн очень низкой частоты (ОНЧ) — 3-30 кГц, способных проникать на значительную глубину в морскую воду. Однако и у этого метода есть фундаментальное ограничение — так называемый предел Чу-Харрингтона. Согласно этому принципу, эффективность излучения антенны напрямую зависит от ее размера относительно длины волны.
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 (МЭ) антенны. Их работа основана на так называемом обратном магнитоэлектрическом эффекте, когда на специальный композитный материал подается электрическое напряжение и он в ответ создает магнитное поле. Композит состоит из двух ключевых компонентов: пьезоэлектрика и магнитострикционного материала.
Первый при подаче на него переменного электрического напряжения начинает механически сжиматься и разжиматься (вибрировать). Второй, будучи приклеенным к пьезоэлектрику, деформируется вместе с ним. Это заставляет колебаться и его, в результате чего меняются магнитные свойства материала. Переменная намагниченность в магнитострикционном материале генерирует переменное магнитное поле в окружающем пространстве — то самое ОНЧ-излучение.
Такой подход позволяет обойти предел Чу-Харрингтона, создавая антенны, размер которых определяется длиной не электромагнитной, а акустической волны в твердом материале. Таким образом можно добиться серьезного уменьшения размеров передающих и приемных антенн. Однако для высокой эффективности работы МЭ-антенны, ее пьезоэлектрический материал должен обладать высокими пьезоэлектрическим коэффициентом (он отвечает за силу, с которой материал деформируется при подаче напряжения) и механической добротностью (характеризует потери энергии при вибрации). Но в большинстве известных композитов улучшение одного параметра ведет к ухудшению свойств другого.
Ученые из НовГУ в составе группы, куда также вошли исследователи из университетов Научно-технологического Нанкина, Сианьского Цзяотуна и Шанхайского института керамики Китайской академии наук, создали новый материал, который решает эти проблемы. Его основа — классическая пьезокерамика (PZT), состоящая из цирконата-титаната свинца. Ученые модифицировали ее состав, добавив индий и ниобий, а также марганец и сурьму.
Полученная керамика, названная PIN-PMS-PZT, показала качественные и, что важно, сбалансированные характеристики: пьезоэлектрический коэффициент около 401 пКл/Н и механическую добротность около 1510. 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 МЭ-антенна на основе этого композита генерирует магнитное поле почти в два раза сильнее (обратный МЭ коэффициент 1,78 Гаусс·см/В), чем передатчик на основе одного из лучших коммерческих образцов пьезокерамики PZT-8. При размере антенны около 14 сантиметров 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 метров.
Интересно, что еще больше уменьшить размеры антенны уже не получится.
— Основная резонансная частота, на которой излучает передающая или принимает принимающая МЭ-антенна при использовании продольной моды, как в нашей работе, обратно пропорциональна длине МЭ композита. Поэтому при уменьшении длины возрастает резонансная частота и выходит за пределы диапазона очень низких частот. Возрастание резонансной частоты с уменьшением размеров характерно и в общем случае для любых мод МЭ-эффекта. Также величина излучаемого магнитного поля пропорциональна объему магнитострикционной фазы. Поэтому при уменьшении размеров антенны уменьшается величина излучаемого магнитного поля. Так что очень сильно уменьшать размеры МЭ-антенны нельзя. Должен быть соблюден некоторый компромисс между размерами антенны и необходимыми ее рабочими характеристиками, — рассказал Олег Соколов.
Чтобы показать, что система реально работает, ученые также собрали опытный образец мини-радиостанции и передали по ней два типа сообщений: цифровые данные и аналоговый сигнал (аудиозапись). Оба были успешно приняты и распознаны.
— Дальность связи отчасти можно повысить, увеличивая размеры антенны. Но это не панацея. Также исследуются применение пьезо- и магнитострикционных материалов с улучшенными характеристиками. Еще дальность связи можно повысить, применяя специальную геометрию антенны, а также используя несколько антенн, объединенных в массив. В общем много разных способов, но также много проблем при их реализации. Несколько групп исследователей в мире пробуют разные способы, пытаясь достичь больших дальностей, — добавил ученый.
Разработанная технология открывает путь к созданию портативных и эффективных систем связи для подводных аппаратов, аквалангистов и подводной робототехники, где использование громоздких антенн ранее было невозможным.