Forschung -

Neuartige Antenne hilft bei üblichen Funkausfällen

Eine neuartige Antenne im Taschenformat, die am 'SLAC National Accelerator Laboratory' entwickelt wurde, könnte die mobile Kommunikation in Situationen aufrechterhalten, in denen herkömmliche Funkgeräte nicht funktionieren, wie z. B. unter Wasser, durch die Erde und über sehr lange Luftstrecken.

Die Antenne sendet eine sehr niederfrequente (VLF) Strahlung mit Wellenlängen von zehn bis hundert Meilen aus. Diese Wellen wandern weit über den Horizont hinaus und können Umgebungen durchdringen, die Funkwellen mit kürzeren Wellenlängen blockieren würden.

Während die derzeit leistungsfähigste VLF-Technologie gigantische Emitter erfordert, ist diese Antenne nur etwa 10 cm hoch, sodass sie für Aufgaben eingesetzt werden könnte, die eine hohe Mobilität erfordern, einschließlich Rettungs- und Verteidigungseinsätze.

"Unsere Antenne ist auch hundertmal effizienter und kann Daten schneller übertragen als bisherige Geräte vergleichbarer Größe", sagte Mark Kemp. "Ihre Performance geht an die Grenzen des technologisch Machbaren und bringt nunmehr mobile VLF-Anwendungen in Reichweite, wie das Versenden von kurzen Textnachrichten in schwierigen Situationen." Das SLAC-geführte Team berichtete über die Forschungsergebnisse in "Nature Communications".

In der modernen Telekommunikation transportieren Funkwellen Informationen für Radiosendungen, Radar- und Navigationssysteme und andere Anwendungen.

Aber kurzwellige Radiowellen haben ihre Grenzen: Das Signal, das sie übertragen, wird über sehr lange Strecken schwach, kann nicht durch Wasser wandern und wird leicht durch Gesteinsschichten blockiert.

Im Gegensatz dazu erlaubt es die längere Wellenlänge der VLF-Strahlung, Hunderte von Metern durch die Erde und Wasser und Tausende von Meilen über den Horizont hinaus durch die Luft zu wandern.

Aber auch die VLF-Technologie steht vor großen Herausforderungen. Eine Antenne ist am effizientesten, wenn ihre Größe mit der emittierten Wellenlänge vergleichbar ist; die lange Wellenlänge von VLF erfordert somit enorme Antennenarrays, die sich kilometerweit erstrecken.

Kleinere VLF-Sender sind viel weniger effizient und können Hunderte von Pfund wiegen, was ihren Einsatz als Mobilgeräte einschränkt. Eine weitere Herausforderung ist die geringe Bandbreite der VLF-Kommunikation, die die zu übertragene Datenmenge begrenzt.

Die neue Antenne wurde unter Berücksichtigung dieser Aspekte entwickelt. Ihre kompakte Größe könnte es ermöglichen, Sender zu bauen, die nur wenige Pfund wiegen.

In Tests, die Signale vom Sender an einen etwa 35 m entfernten Empfänger übertrugen, zeigten die Forscher, dass ihr Gerät dessen VLF-Strahlung 300-mal effizienter erzeugte als bisherige kompakte Antennen - und Daten mit fast 100-mal größerer Bandbreite transferierte.

"Es gibt viele interessante Anwendungsmöglichkeiten für diese Technologie", sagte Kemp. "Unsere Antenne ist für die Kommunikation über große Entfernungen durch die Luft optimiert, und unsere Forschung untersucht die Grundlagenforschung dieser Methode, um Wege zu finden, die Fähigkeiten der Antenne weiter zu verbessern."

Zur Erzeugung von VLF-Strahlung nutzt das Gerät den piezoelektrischen Effekt, der mechanische Spannungen in einen elektrischen Ladungsaufbau umwandelt.

Als Antenne verwendeten die Forscher einen stabförmigen Kristall aus einem piezoelektrischen Material, dem Lithiumniobat. Als sie eine oszillierende elektrische Spannung an den Stab anlegen, schwingt er, schrumpft und dehnt sich abwechselnd aus.

Diese mechanische Belastung löst einen oszillierenden elektrischen Strom aus, dessen elektromagnetische Energie dann als VLF-Strahlung abgegeben wird.

Der elektrische Strom stammt von elektrischen Ladungen, die sich an der Stange auf und ab bewegen. In herkömmlichen Antennen sind diese Bewegungen nahezu gleich groß wie die Wellenlänge der von ihnen erzeugten Strahlung. Und kompaktere Designs erfordern deshalb typischerweise Abstimmeinheiten, die größer sind als die Antenne selbst.

Der neue Ansatz hingegen "ermöglicht es uns, elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen, die viel größer als die Bewegungen entlang des Kristalls sind, und ohne große Abstimmeinheiten effizient anzuregen. Deshalb ist diese Antenne so kompakt", sagte Kemp.

Die Forscher fanden auch einen cleveren Weg, die Wellenlänge der emittierten Strahlung zu optimieren. "Wir wechselten im Betrieb immer wieder die Wellenlänge, sodass wir mit großer Bandbreite senden konnten. Dies ist der Schlüssel zu Datenübertragungsraten von mehr als 100 bps - genug, um einen einfachen Text zu senden."

Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit SRI International und 'Gooch and Housego', einem Technologieunternehmen für Photonik, durchgeführt. Das Forschungsteam hat ein Patent für seine Technologie angemeldet, das von der Stanford University eingereicht wurde.

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