便攜式ULF/VLF機(jī)械通信天線技術(shù)的研究進(jìn)展*

孫 雷，韓 峰

(1.北京建筑大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，北京 100044；2.北京機(jī)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(shù)可用于水下或地下通信。傳統(tǒng)的通信需求是超遠(yuǎn)距離水下通信，為此在陸上構(gòu)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(luò)和水下移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，構(gòu)建立體式通信網(wǎng)絡(luò)，用于延拓網(wǎng)絡(luò)的覆蓋空間，提升移動平臺的導(dǎo)航、定位及協(xié)同能力。

為滿足上述應(yīng)用需求，2017年美國國防部高級研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)發(fā)布了機(jī)械天線(A Mechanically Based Antenna，AMEBA)項(xiàng)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(jī)械運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生時(shí)變磁場的機(jī)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(yīng)用場合的新型ULF/VLF信號發(fā)射機(jī)。根據(jù)AMEBA項(xiàng)目的需求，國外開展了機(jī)理研究和基礎(chǔ)方法的研究，成果豐富[3-8]。國內(nèi)雖然也啟動了相關(guān)的機(jī)理和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[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(jī)械通信天線項(xiàng)目簡介

1.1 機(jī)理描述

機(jī)械天線生成與發(fā)射ULF/VLF頻段電磁波的創(chuàng)新機(jī)理是利用強(qiáng)磁場材料(永磁體)或強(qiáng)電場材料(駐極體)的機(jī)械運(yùn)動生成載波頻率低于30 kHz的射頻信號。項(xiàng)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(jī)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(fù)機(jī)械運(yùn)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(qiáng)電場或強(qiáng)磁場，然后通過外力驅(qū)動容器執(zhí)行特定頻率的往復(fù)機(jī)械運(yùn)動，就會在相應(yīng)頻率上產(chǎn)生交變電磁信號，實(shí)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(yīng)用需求

AMEBA項(xiàng)目的優(yōu)勢是可靠的窄帶通信，射頻信號具備強(qiáng)穿透性，且難以干擾。AMEBA項(xiàng)目列舉了三個(gè)應(yīng)用設(shè)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(yuǎn)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(diǎn)，分別與多潛水員、水面無人艦艇和水面艦船進(jìn)行短距離通信。在水下高頻射頻信號穿透性差，無法進(jìn)行長距離通信，低頻射頻信號穿透性好，能實(shí)現(xiàn)長距離通信，但天線體積較大，設(shè)備適裝性差。利用AMEBA項(xiàng)目研發(fā)的ULF/VLF發(fā)射機(jī)能顯著減小長波通信設(shè)備的尺寸、重量和功耗等，可裝備潛艇、UUV、浮標(biāo)、蛙人等，提高水下遠(yuǎn)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(jìn)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(xiàng)目研發(fā)的ULF/VLF發(fā)射機(jī)可實(shí)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(zāi)害救援。

圖3(c)為便攜式遠(yuǎn)距離陸上通信，是由單兵攜帶通信設(shè)備進(jìn)行上百公里的陸上通信。目前，美軍地面部隊(duì)使用的通信設(shè)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(shí)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(dāng)脆弱。因此，利用AMEBA項(xiàng)目研發(fā)的ULF/VLF發(fā)射機(jī)可裝備單兵，可為美國陸軍及海軍陸戰(zhàn)隊(duì)提供超視距通信能力。

(a)拒止環(huán)境下的水下通信應(yīng)用設(shè)想

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

表1給出了機(jī)械天線項(xiàng)目不同應(yīng)用場景下系統(tǒng)期望達(dá)到的性能指標(biāo)。

表1 機(jī)械天線項(xiàng)目應(yīng)用期望指標(biāo)分析

1.3 研究內(nèi)容

為達(dá)到低頻便攜式發(fā)射機(jī)的相關(guān)性能要求，AMEBA項(xiàng)目針對應(yīng)用需求，提出了兩個(gè)研究方向，一是ULF頻段信號穿透技術(shù)，二是VLF頻段信號傳播技術(shù),并量化了每個(gè)研究方向的期望指標(biāo)。

1.3.1 ULF頻段(0.3～3 kHz)信號穿透技術(shù)

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(jī)技術(shù)，將面臨三個(gè)問題：一是如何在接收機(jī)所在位置具有足夠大的場強(qiáng)，以使得信號相比于接收機(jī)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(shè)計(jì)具有低功耗、便攜式優(yōu)點(diǎn)的發(fā)射機(jī)整機(jī)。傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)方法，如單極、雙極和環(huán)形天線，會導(dǎo)致發(fā)射機(jī)系統(tǒng)體積和功耗都偏大，無法解決上述技術(shù)難題。因此，需要借助導(dǎo)體或部分傳導(dǎo)媒介的通信鏈路，開發(fā)尺寸和功耗都適合于便攜式應(yīng)用的發(fā)射機(jī)。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(shù)的研究目標(biāo)是研發(fā)1 kHz頻率以下的射頻發(fā)射機(jī)樣機(jī)，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(shù)各階段的預(yù)期性能。

表2 ULF頻段信號穿透技術(shù)各階段的預(yù)期性能

ULF頻段信號穿透技術(shù)在階段1和2中，允許在較近的距離開展測試，而期望指標(biāo)是通過外推方式進(jìn)行驗(yàn)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(shù)

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(jī)技術(shù)。VLF電磁波能連接自然發(fā)生的地球電離層波導(dǎo)，波導(dǎo)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(dǎo)內(nèi)衰減小于6 dB/1 000 km，可以傳播很遠(yuǎn)的距離，實(shí)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(jī)技術(shù)將不再合適。AMEBA項(xiàng)目將研發(fā)尺寸和功耗都適合便攜應(yīng)用的發(fā)射機(jī)，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(shí)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(shù)(3～30 kHz)的研究目標(biāo)是研制系統(tǒng)功耗不超過20 W的VLF射頻發(fā)射機(jī)，具體技術(shù)指標(biāo)要求見表3。

表3 VLF頻段信號傳播技術(shù)各階段的預(yù)期性能

1.4 經(jīng)費(fèi)預(yù)算

AMEBA項(xiàng)目于2017年8月啟動，研發(fā)經(jīng)費(fèi)預(yù)計(jì)2 300萬美元，其中ULF頻段信號穿透技術(shù)方向經(jīng)費(fèi)950萬美元，VLF頻段信號傳播技術(shù)方向經(jīng)費(fèi)1 350萬美元，計(jì)劃時(shí)長為45個(gè)月，分成三個(gè)階段實(shí)施，研究難度逐漸增加。AMEBA項(xiàng)目的主要計(jì)劃節(jié)點(diǎn)見表4。

表4 AMEBA項(xiàng)目的主要計(jì)劃節(jié)點(diǎn)

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

表5 研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入

1.5 系統(tǒng)分析

AMEBA項(xiàng)目要求樣機(jī)在小空間內(nèi)構(gòu)建強(qiáng)電磁場，實(shí)現(xiàn)化學(xué)和材料(永磁體和駐極體)、總體設(shè)計(jì)(這些材料的形狀和封裝幾何尺寸)、機(jī)械工程(機(jī)械化移動磁體和駐極體來產(chǎn)生射頻信號)等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，如圖5所示。

圖5 AMEBA發(fā)射機(jī)的基本框架和關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)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(xiàng)目研發(fā)的發(fā)射機(jī)由帶有強(qiáng)電場或強(qiáng)磁場的特殊材料通過機(jī)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(fù)移動產(chǎn)生ULF/VLF射頻信號。發(fā)射機(jī)有供電和數(shù)據(jù)兩個(gè)輸入端口，由功率射頻器件、匹配網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械驅(qū)動裝置、電磁波發(fā)射材料、天線結(jié)構(gòu)、溫度控制器、封裝與加固結(jié)構(gòu)等部件構(gòu)成，可在目標(biāo)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(shí)間內(nèi)在指定距離處產(chǎn)生一定的磁場強(qiáng)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(xiàng)目研究進(jìn)展

目前，已公布的該項(xiàng)目研究成果主要是來自于美國能源部下屬的國家加速實(shí)驗(yàn)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(xué)共振下驅(qū)動，與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，在相當(dāng)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(luò)的需求，它在聲波波長處自諧振，該諧振的時(shí)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(shí)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(tuán)隊(duì)提出的機(jī)械天線方案是基于棒狀晶體鈮酸鋰(LiNbO3)天線的VLF發(fā)射機(jī)。LiNbO3壓電驅(qū)動器不需要高壓驅(qū)動，驅(qū)動容易實(shí)現(xiàn)和控制，并且橫向長度振動模式單一，機(jī)電耦合效率較高，壓電性能優(yōu)于石英壓電驅(qū)動器。樣機(jī)的工作原理如圖6(a)所示，該裝置利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械應(yīng)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(jī)械振動，在壓電晶體周圍產(chǎn)生時(shí)變電磁場，并采用了一種直接天線調(diào)制(Direct Antenna Modulation,DAM)技術(shù)用于調(diào)整輻射波長的新方法，基于這種技術(shù)，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(jī)械天線技術(shù)研究中，主要涉及機(jī)械天線的電磁場產(chǎn)生機(jī)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(tuán)隊(duì)協(xié)作模式等方面，具體如下：

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

(2)機(jī)械天線技術(shù)的創(chuàng)新性，主要涉及材料、方法、可重復(fù)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(dá)成的技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)給出如何構(gòu)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(dá)到期望的研究目標(biāo)。

(3)調(diào)制方法及其實(shí)現(xiàn)及實(shí)施方法研究中，需指定傳輸?shù)恼{(diào)制格式及可實(shí)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(shù)時(shí)，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(tuán)隊(duì)協(xié)作模式和合作方式時(shí)，需重視該技術(shù)的多學(xué)科性，必須在項(xiàng)目涉及的技術(shù)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(tuán)隊(duì)來支持整個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而不是提供部分解決方案。

針對研究要求，SLAC項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將研究分為總體設(shè)計(jì)及原理演示試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模擬發(fā)射機(jī)數(shù)字仿真及調(diào)制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、機(jī)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(xué)、仿真技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)。并針對解決方法，提出需重點(diǎn)攻克的關(guān)鍵技術(shù)，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(jì)算方法等，其基本研究思路如下：

(1)最基本創(chuàng)新點(diǎn)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(shí)現(xiàn)極高Q值的天線系統(tǒng)，不需外部阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，且具備超出無源Bode-Fano限制的有效分?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)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(gè)棒面上鍍鈦金屬層；依次按照應(yīng)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(jìn)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(jì)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(yīng)用FEM多物理軟件COMSOL的MEMS工具箱，對壓電系統(tǒng)進(jìn)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(guān)系，如給定輸入電壓和頻率，計(jì)算頻域響應(yīng)參數(shù)，分析晶體的應(yīng)力、偶極矩、振動速度和輸入阻抗等。通過試驗(yàn)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(shí)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(yuǎn)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(zhǔn)，只用相對測量值，配合基準(zhǔn)信號源進(jìn)行分析。基準(zhǔn)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(gè)研究展現(xiàn)了通信、電路、電磁學(xué)等多學(xué)科的協(xié)同設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

機(jī)械天線項(xiàng)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(xué)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(xiàng)目的研究脈絡(luò)，探討了機(jī)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(jī)械天線研究具有借鑒意義。機(jī)械天線的設(shè)計(jì)涉及到機(jī)械、材料、電磁學(xué)等多學(xué)科，在產(chǎn)品原型構(gòu)建時(shí)，要充分重視系統(tǒng)的數(shù)字模型設(shè)計(jì)及全系統(tǒng)仿真，需考慮應(yīng)用背景的約束條件，推進(jìn)機(jī)械天線的應(yīng)用。