便攜式ULF/VLF機械通信天線技術的研究進展*

孫 雷，韓 峰

(1.北京建筑大學 電氣與信息工程學院，北京 100044；2.北京機電工程研究所，北京 100074)

0 引 言

特低頻(Ultra Low Frequency,ULF)/甚低頻(Very Low Frequency,VLF)通信技術可用于水下或地下通信。傳統(tǒng)的通信需求是超遠距離水下通信，為此在陸上構建了大功率且天線體積龐大的發(fā)射系統(tǒng)。近年來，移動平臺近距離水下通信的需求，以及超視距陸上通信及地下通信的需求不斷增多，特別是近水面空間的跨水空介質(zhì)直接通信的需求，需將空中移動網(wǎng)絡和水下移動網(wǎng)絡進行連接，構建立體式通信網(wǎng)絡，用于延拓網(wǎng)絡的覆蓋空間，提升移動平臺的導航、定位及協(xié)同能力。

為滿足上述應用需求，2017年美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)發(fā)布了機械天線(A Mechanically Based Antenna，AMEBA)項目征詢書[1-2]，希望通過探索基于磁偶極子和電偶極子在機械運動時產(chǎn)生時變磁場的機理和方法，開發(fā)功耗小于20 W、質(zhì)量不超過10 kg、單人可攜帶，可滿足水中、陸地、地下等應用場合的新型ULF/VLF信號發(fā)射機。根據(jù)AMEBA項目的需求，國外開展了機理研究和基礎方法的研究，成果豐富[3-8]。國內(nèi)雖然也啟動了相關的機理和基礎實驗[9-11]，但在研究思路及方法方面距離國外尚有一定的差距。

1 機械通信天線項目簡介

1.1 機理描述

機械天線生成與發(fā)射ULF/VLF頻段電磁波的創(chuàng)新機理是利用強磁場材料(永磁體)或強電場材料(駐極體)的機械運動生成載波頻率低于30 kHz的射頻信號。項目建議書中共提出了三種原理性方案，分別為旋轉(zhuǎn)電偶極子、旋轉(zhuǎn)電單極子和旋轉(zhuǎn)磁偶極子，如圖1所示。

圖1 機械天線產(chǎn)生電磁波的原理示意圖

具有磁場或電場的物體通過往復機械運動產(chǎn)生交變電場或交變磁場。首先,永磁體或駐極體在有限的容器中形成強電場或強磁場，然后通過外力驅(qū)動容器執(zhí)行特定頻率的往復機械運動，就會在相應頻率上產(chǎn)生交變電磁信號，實現(xiàn)射頻信號發(fā)射，其等效模型如圖1所示。其中，駐極體是一種被永久極化的絕緣物質(zhì)，如石英玻璃圓柱棒，其電荷被永久分開形成電偶極子。

(a)永磁體的等效電流環(huán)模型

1.2 應用需求

AMEBA項目的優(yōu)勢是可靠的窄帶通信，射頻信號具備強穿透性，且難以干擾。AMEBA項目列舉了三個應用設想，分別是拒止環(huán)境下的水下通信、拒止環(huán)境下的地下通信和便攜式遠距離陸上通信，如圖3所示。

圖3(a)為拒止環(huán)境下的水下通信，以潛艇為水下通信節(jié)點，分別與多潛水員、水面無人艦艇和水面艦船進行短距離通信。在水下高頻射頻信號穿透性差，無法進行長距離通信，低頻射頻信號穿透性好，能實現(xiàn)長距離通信，但天線體積較大，設備適裝性差。利用AMEBA項目研發(fā)的ULF/VLF發(fā)射機能顯著減小長波通信設備的尺寸、重量和功耗等，可裝備潛艇、UUV、浮標、蛙人等，提高水下遠距離通信能力。

圖3(b)為拒止環(huán)境下的地下通信，是地面作戰(zhàn)人員與地下掩體中的人員進行短距離通信。與水下環(huán)境類似，土壤、巖石等也會阻擋高頻射頻信號。利用AMEBA項目研發(fā)的ULF/VLF發(fā)射機可實現(xiàn)碉堡、礦坑或洞穴與地面間的通信，也可廣泛用于礦難、地震等自然災害救援。

圖3(c)為便攜式遠距離陸上通信，是由單兵攜帶通信設備進行上百公里的陸上通信。目前，美軍地面部隊使用的通信設備主要是PRC-117衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及PRC-150高頻無線電系統(tǒng)，盡管具備超視距通信能力，但需要發(fā)射端掌握接收端的精確位置，且操作人員需要隨時根據(jù)電離層的高低改變天線角度。此外，衛(wèi)星通信系統(tǒng)在高烈度對抗環(huán)境下相當脆弱。因此，利用AMEBA項目研發(fā)的ULF/VLF發(fā)射機可裝備單兵，可為美國陸軍及海軍陸戰(zhàn)隊提供超視距通信能力。

(a)拒止環(huán)境下的水下通信應用設想

此外，DARPA還列舉了一個潛在應用場景，即GPS拒止環(huán)境下的定位和授時。GPS衛(wèi)星容易遭到反衛(wèi)星武器攻擊失效，且GPS信號強度弱、易受干擾，在水下無法使用。利用AMEBA項目研發(fā)的ULF/VLF通信設備能通過三角定位法確定潛艇、UUV自身位置，實現(xiàn)不依賴GPS的導航定位。

表1給出了機械天線項目不同應用場景下系統(tǒng)期望達到的性能指標。

表1 機械天線項目應用期望指標分析

1.3 研究內(nèi)容

為達到低頻便攜式發(fā)射機的相關性能要求，AMEBA項目針對應用需求，提出了兩個研究方向，一是ULF頻段信號穿透技術，二是VLF頻段信號傳播技術,并量化了每個研究方向的期望指標。

1.3.1 ULF頻段(0.3～3 kHz)信號穿透技術

為滿足百米距離的水下通信(海水介質(zhì))和幾百米距離的地下通信(不同組成成分和含水量的土壤與巖石介質(zhì))的需求，利用ULF頻段電磁信號的穿透特性，研究ULF頻段發(fā)射機技術，將面臨三個問題：一是如何在接收機所在位置具有足夠大的場強，以使得信號相比于接收機的噪聲基底和背景雜波足夠大，滿足信號檢測的需求；二是如何有效調(diào)制載波頻率以獲得有用的信息帶寬；三是如何設計具有低功耗、便攜式優(yōu)點的發(fā)射機整機。傳統(tǒng)的天線設計方法，如單極、雙極和環(huán)形天線，會導致發(fā)射機系統(tǒng)體積和功耗都偏大，無法解決上述技術難題。因此，需要借助導體或部分傳導媒介的通信鏈路，開發(fā)尺寸和功耗都適合于便攜式應用的發(fā)射機。圖4給出了不同條件下的射頻穿透性能。

(a)海水中的傳播衰減

ULF頻段信號穿透技術的研究目標是研發(fā)1 kHz頻率以下的射頻發(fā)射機樣機，系統(tǒng)質(zhì)量不超過10 kg，總功耗不超過20 W。表2給出了ULF頻段信號穿透技術各階段的預期性能。

表2 ULF頻段信號穿透技術各階段的預期性能

ULF頻段信號穿透技術在階段1和2中，允許在較近的距離開展測試，而期望指標是通過外推方式進行驗證的。外推模型取決于源偶極子(電偶極子與磁極)，但它必須是麥克斯韋方程在自由空間的直接解，且需指定測試條件和使用的電磁輻射模型。

1.3.2 VLF頻段(3～30 kHz)信號傳播技術

為滿足陸上100 km級的便攜式通信需求，利用VLF頻段電磁信號的傳播特性，研究VLF頻段發(fā)射機技術。VLF電磁波能連接自然發(fā)生的地球電離層波導，波導形成于地面和地球表面上空75～85 km的電離層之間。在地球-電離層波導內(nèi)衰減小于6 dB/1 000 km，可以傳播很遠的距離，實現(xiàn)超視距通信，可以穿透數(shù)十米的海水或泥土。由于大尺寸和高損耗，傳統(tǒng)的發(fā)射機技術將不再合適。AMEBA項目將研發(fā)尺寸和功耗都適合便攜應用的發(fā)射機，可以克服傳統(tǒng)電小天線的許多基本限制，在非常小的尺寸空間內(nèi)諧振，同時表現(xiàn)出低損耗，能夠形成距離大于100 km的通信鏈路。

VLF頻段信號傳播技術(3～30 kHz)的研究目標是研制系統(tǒng)功耗不超過20 W的VLF射頻發(fā)射機，具體技術指標要求見表3。

表3 VLF頻段信號傳播技術各階段的預期性能

1.4 經(jīng)費預算

AMEBA項目于2017年8月啟動，研發(fā)經(jīng)費預計2 300萬美元，其中ULF頻段信號穿透技術方向經(jīng)費950萬美元，VLF頻段信號傳播技術方向經(jīng)費1 350萬美元，計劃時長為45個月，分成三個階段實施，研究難度逐漸增加。AMEBA項目的主要計劃節(jié)點見表4。

表4 AMEBA項目的主要計劃節(jié)點

AMEBA項目第一階段共有6家單位承擔，分別是斯坦福國際咨詢研究所、休斯研究實驗室、羅克韋爾·柯林斯公司、Vesperix公司、加州大學洛杉磯分校、伊利諾伊大學，第二、三階段的合同視情選擇研究單位。研發(fā)經(jīng)費的投入見表5，第一階段共投入900萬美元，按照計劃目前已完成階段評審。

表5 研發(fā)經(jīng)費投入

1.5 系統(tǒng)分析

AMEBA項目要求樣機在小空間內(nèi)構建強電磁場，實現(xiàn)化學和材料(永磁體和駐極體)、總體設計(這些材料的形狀和封裝幾何尺寸)、機械工程(機械化移動磁體和駐極體來產(chǎn)生射頻信號)等領域的技術創(chuàng)新，如圖5所示。

圖5 AMEBA發(fā)射機的基本框架和關鍵技術

傳統(tǒng)發(fā)射機依靠功率放大器電路產(chǎn)生振蕩電流，然后將電流饋入天線發(fā)射電磁波信號，而AMEBA項目研發(fā)的發(fā)射機由帶有強電場或強磁場的特殊材料通過機械振動產(chǎn)生電磁波，例如利用磁棒或駐極體按特定速率反復移動產(chǎn)生ULF/VLF射頻信號。發(fā)射機有供電和數(shù)據(jù)兩個輸入端口，由功率射頻器件、匹配網(wǎng)絡、機械驅(qū)動裝置、電磁波發(fā)射材料、天線結(jié)構、溫度控制器、封裝與加固結(jié)構等部件構成，可在目標頻帶產(chǎn)生射頻信號，并將原始數(shù)據(jù)調(diào)制到射頻載波上。射頻信號為脈沖形式，能在短時間內(nèi)在指定距離處產(chǎn)生一定的磁場強度，而不是穩(wěn)態(tài)振蕩磁場。系統(tǒng)可配置低溫冷卻系統(tǒng)。

2 項目研究進展

目前，已公布的該項目研究成果主要是來自于美國能源部下屬的國家加速實驗室(Stanford Linear Accelerator Center，SLAC)，其聯(lián)合斯坦福國際咨詢公司和古奇·休斯古公司(Gooch and Housego)研制出10 cm尺寸大小規(guī)模的小型發(fā)射器，如圖6所示。這種具有超低損耗的鈮酸鋰壓電電偶極子發(fā)射器可在聲學共振下驅(qū)動，與傳統(tǒng)的技術相比，在相當電氣的尺寸下，輻射效率能夠提高300倍以上。壓電輻射元件消除了對大阻抗匹配網(wǎng)絡的需求，它在聲波波長處自諧振，該諧振的時間調(diào)制表明器件帶寬大于傳統(tǒng)Bode-Fano極限的83倍，從而增加了發(fā)射器比特率，同時仍然使損耗最小化。在《Nature Communications》期刊上發(fā)布了具體的研究思路及方法[7]。

圖6 SLAC開發(fā)的新穎的緊湊型天線

該團隊提出的機械天線方案是基于棒狀晶體鈮酸鋰(LiNbO3)天線的VLF發(fā)射機。LiNbO3壓電驅(qū)動器不需要高壓驅(qū)動，驅(qū)動容易實現(xiàn)和控制，并且橫向長度振動模式單一，機電耦合效率較高，壓電性能優(yōu)于石英壓電驅(qū)動器。樣機的工作原理如圖6(a)所示，該裝置利用壓電效應，將機械應力轉(zhuǎn)換為電荷的累積，通過晶體的規(guī)律性伸縮變形的機械振動，在壓電晶體周圍產(chǎn)生時變電磁場，并采用了一種直接天線調(diào)制(Direct Antenna Modulation,DAM)技術用于調(diào)整輻射波長的新方法，基于這種技術，數(shù)據(jù)傳輸速率可超過100 b/s，足可發(fā)送一條簡單的文本。

機械天線技術研究中，主要涉及機械天線的電磁場產(chǎn)生機理、創(chuàng)新性、靈活可拓展的模型、信號調(diào)制方式、能量耦合方式及團隊協(xié)作模式等方面，具體如下：

(1)在構建系統(tǒng)模型時，需闡述在發(fā)射元件上產(chǎn)生電磁場的物理機理，并對比說明相對于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢，計算分析在ULF/VLF頻率下達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的能量。

(2)機械天線技術的創(chuàng)新性，主要涉及材料、方法、可重復性、包裝、處理、存儲等方面的創(chuàng)新工作，需分階段定義可衡量的階段性成果及達成的技術指標，同時給出如何構建可拓展模型，通過靈活的方式可定量分析研究的內(nèi)容，以達到期望的研究目標。

(3)調(diào)制方法及其實現(xiàn)及實施方法研究中，需指定傳輸?shù)恼{(diào)制格式及可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率(以每秒位數(shù)表示)，并量化傳輸比特信息所需的發(fā)射能量。

(4)在描述VLF頻段信號傳播技術時，需回答如何將能量耦合到輻射場，又是如何克服傳統(tǒng)電氣小天線的局限性等問題。

(5)在描述團隊協(xié)作模式和合作方式時，需重視該技術的多學科性，必須在項目涉及的技術方面要有全面和足夠的專業(yè)知識，需要完整和自給自足的團隊來支持整個技術實現(xiàn)，而不是提供部分解決方案。

針對研究要求，SLAC項目團隊將研究分為總體設計及原理演示試驗設計、模擬發(fā)射機數(shù)字仿真及調(diào)制實驗驗證、機械和熱仿真分析、晶體的生長及制造、電源轉(zhuǎn)換裝置、電磁場測量等工作，這些工作涉及到材料、電路、電磁學、仿真技術等多學科技術。并針對解決方法，提出需重點攻克的關鍵技術，分別是鈮酸鋰(LiNbO3)晶體的制造，安裝和測試方法；多物理場和電路仿真方法；電磁場測量方法；天線Q值、天線效率和帶寬利用率計算方法等，其基本研究思路如下：

(1)最基本創(chuàng)新點是選用一種超低損耗的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體作為壓電材料制作輻射元件，實現(xiàn)極高Q值的天線系統(tǒng)，不需外部阻抗匹配網(wǎng)絡，且具備超出無源Bode-Fano限制的有效分數(shù)帶寬。

(2)在鈮酸鋰(LiNbO3)晶體的制造、安裝和測試方法研究中，LN晶體采用標準Czochralski生長工藝，按照Y36°方向粗切割成20 mm×20 mm×94 mm的長方體；在每個棒面上鍍鈦金屬層；依次按照應用不同厚度氧化鋁玻璃板、濕的碳化硅砂紙、1 μm氧化鋁漿料和聚氨酯墊進行打磨拋光；并按照帶有OFV-552傳感器頭的激光多普勒振動計Polytek OFV-5000監(jiān)測晶體振動速度。

(3)在多物理場和電路仿真方法研究中，主要是應用FEM多物理軟件COMSOL的MEMS工具箱，對壓電系統(tǒng)進行建模，針對驅(qū)動器輸入、壓電等效電路、輻射耦合和調(diào)制電路建立等效電路模型，通過比較多物理場仿真結(jié)果與測量數(shù)據(jù)，研究形變與壓電材料變形的量化關系，如給定輸入電壓和頻率，計算頻域響應參數(shù)，分析晶體的應力、偶極矩、振動速度和輸入阻抗等。通過試驗結(jié)果，確定等效電路模型中的元器件參數(shù)，用于分析模擬時域問題。

(4)在系統(tǒng)性能評估中，在近場，采用2 cm的金屬螺柱作為探針測量電場；在遠場，采用空心螺線管測量磁場，螺線管參數(shù)是200圈，直徑1.2 m，寬6 cm，并包裹接地鋁箔屏蔽電場信號，因磁場未校準，只用相對測量值，配合基準信號源進行分析。基準信號源提供與壓電天線諧振頻率近似的35.5 kHz頻率的參考磁場，使用線圈發(fā)射器天線產(chǎn)生。

其他方面，本文不再贅述。總之，整個研究展現(xiàn)了通信、電路、電磁學等多學科的協(xié)同設計。

3 結(jié)束語

機械天線項目是研究便攜式ULF/VLF通信系統(tǒng)和探測系統(tǒng)，一旦研發(fā)成功，將在海洋科學研究、資源開發(fā)及安全防衛(wèi)中發(fā)揮重要的作用。本文通過梳理AEMBA項目的研究脈絡，探討了機械天線的創(chuàng)新性研究思路及方法，對國內(nèi)科研人員開展便攜式機械天線研究具有借鑒意義。機械天線的設計涉及到機械、材料、電磁學等多學科，在產(chǎn)品原型構建時，要充分重視系統(tǒng)的數(shù)字模型設計及全系統(tǒng)仿真，需考慮應用背景的約束條件，推進機械天線的應用。