Предел Чу — предела больше нет

23 февраля 2017 г.

Кэтрин Коннор, Центр космических и военно-морских систем Тихоокеанский центр по связям с общественностью, космическим и военно-морским системам

Предел Чу, фундаментальный принцип электромагнетизма, предписывает, что полоса пропускания, в которой может функционировать антенна, имеет максимальный уровень, пропорциональный физическому размеру антенны: чем меньше антенна, тем меньше полоса пропускания, тем медленнее и менее работоспособна линия связи. Предел Чу был основополагающим законом исследований антенн и телекоммуникаций с момента его введения в конце 1940-х годов, но ученый из Тихоокеанского центра космических и военно-морских систем (SSC Pacific) недавно впервые превысил предел Чу в измеренном измерении. эксперимент.

Джастин Чёрч, инженер группы прикладной электромагнетики Центра, использовал не-Фостеровские схемы, встроенные в электрически небольшую антенну, чтобы создать первый экспериментально измеренный случай превышения Предела. В нескольких статьях была высказана теория или смоделировано такая возможность, но Черч первым продемонстрировал антенну, способную использовать полосу пропускания, превышающую этот фундаментальный предел.

Ему удалось добиться этого благодаря двум новым достижениям: не-Фостеровским схемам и внутреннему согласованию. Не-Фостеровские схемы представляют собой активные транзисторные схемы, которые эффективно создают конденсаторы и катушки индуктивности с отрицательным зарядом, что означает, что реактивное сопротивление инвертируется по сравнению с реактивным сопротивлением обычных конденсаторов и катушек индуктивности. Сочетание этого метода с внутренним согласованием — встраиванием антенны и схемы в одну структуру — позволило электрически небольшой антенне достичь более широкой полосы пропускания, не жертвуя при этом эффективностью. Электрически малая антенна — это антенна, у которой наибольший размер конструкции составляет менее одной десятой длины волны. Большинство электрически небольших антенн имеют эффективность менее 1 процента, но Чёрчу удалось достичь эффективности 85 процентов.

Черч экспериментально подтвердил мгновенную полосу пропускания в 18 МГц от внутренне согласованной интегрированной антенны не Фостера, физический объем которой составлял менее одной десятой рабочей длины волны. Эта измеренная полоса пропускания превышает предел Чу в 2,5 раза.

Помимо научной важности достижения ранее невозможного, это важная область исследований для ВМФ, которая будет иметь далеко идущие последствия для истребителей.

«Многие диапазоны связи, в использовании которых заинтересованы военные, часто находятся на низких частотах — очень высоких частотах (ОВЧ) и сверхвысоких частотах (УВЧ). Здесь длины волн довольно длинные — более метра и более — и на на этих частотах волна распространяется на большие расстояния», — объяснил Черч. «Проблема в том, что для того, чтобы антенна могла эффективно работать на этих частотах, она должна быть физически большой, часто в масштабе нескольких метров».

Это проблема для тех, кому поручено выполнение задач ВМФ, где портативные антенны меньшего размера гораздо более эффективны и скрытны.

«Существует большой толчок, и военным всегда необходимо исследовать, насколько маленькими можно сделать антенны и заставить их работать так же эффективно, как и большие», — сказал Черч. «Компактные антенны обеспечивают более широкие эксплуатационные возможности».

SSC Pacific — это военно-морская научно-исследовательская лаборатория, задачей которой является обеспечение превосходства в информационной войне.

Предоставлено Центром космических и военно-морских систем