Cientistas de Stanford desenvolvem nova antena compacta para comunicação onde os rádios falham

 

O dispositivo de 4 polegadas de altura poderia ser usado em transmissores portáteis para missões de resgate e outras aplicações desafiadoras que exigem alta mobilidade.

Um novo tipo de antena de bolso, desenvolvido no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, poderia permitir a comunicação móvel em situações em que os rádios convencionais não funcionam, como debaixo d’água, pelo solo e por longas distâncias pelo ar.

O dispositivo emite radiação de frequência muito baixa (VLF) com comprimentos de onda de dezenas a centenas de milhas. Essas ondas percorrem longas distâncias além do horizonte e podem penetrar em ambientes que bloqueariam ondas de rádio com comprimentos de onda menores. Embora a tecnologia VLF mais poderosa de hoje em dia exija emissores gigantescos, essa antena tem apenas dez centímetros de altura, portanto, pode ser usada para tarefas que exigem alta mobilidade, incluindo missões de resgate e defesa.

“Nosso dispositivo também é centenas de vezes mais eficiente e pode transmitir dados mais rapidamente do que os dispositivos anteriores de tamanho comparável”, disse Mark Kemp, do SLAC, o investigador principal do projeto. “Seu desempenho aumenta os limites do que é tecnologicamente possível e coloca aplicativos portáteis de VLF, como o envio de mensagens de texto curtas em situações desafiadoras, ao seu alcance”.

A equipe liderada pelo SLAC relatou seus resultados hoje na Nature Communications.

Comunicação no horizonte

Um novo tipo de antena de bolso, desenvolvido no SLAC, poderia permitir a comunicação móvel em situações em que os rádios convencionais não funcionam, como debaixo d’água, pelo solo e por longas distâncias pelo ar. (Greg Stewart / Laboratório Nacional do Acelerador SLAC)

Um desafio considerável

Nas telecomunicações modernas, as ondas de rádio transportam informações pelo ar para transmissões de rádio, sistemas de radar e navegação e outras aplicações. Mas as ondas de rádio de comprimento de onda mais curto têm seus limites: o sinal que transmitem se torna fraco a longas distâncias, não pode viajar pela água e é facilmente bloqueado por camadas de rocha.

Em contraposição, o comprimento de onda mais longo da radiação VLF permite que ela percorra centenas de metros através do solo e da água e milhares de quilômetros além do horizonte pelo ar.

No entanto, a tecnologia VLF também apresenta grandes desafios. Uma antena é mais eficiente quando seu tamanho é comparável ao comprimento de onda que ela emite; O comprimento de onda longo do VLF exige enormes matrizes de antena que se estendem por quilômetros. Os transmissores VLF menores são muito menos eficientes e podem pesar centenas de libras, limitando seu uso pretendido como dispositivos móveis. Outro desafio é a baixa largura de banda da comunicação VLF, que limita a quantidade de dados que pode transmitir.

Uma nova antena compacta para transmissões de frequência muito baixa (VLF), desenvolvida e testada no SLAC, consiste em um cristal piezoelétrico de 4 polegadas de comprimento (haste transparente no centro) que gera radiação VLF. (Dawn Harmer / SLAC National Accelerator Laboratory)

Teste de antena VLF

A nova antena foi projetada com esses problemas em mente. Seu tamanho compacto pode possibilitar a construção de transmissores que pesam apenas alguns quilos. Em testes que enviaram sinais do transmissor para um receptor a 30 metros de distância, os pesquisadores demonstraram que seu dispositivo produzia uma radiação VLF 300 vezes mais eficiente que as antenas compactas anteriores e transmitia dados com largura de banda quase 100 vezes maior.

“Há muitas aplicações potenciais interessantes para a tecnologia”, disse Kemp. “Nosso dispositivo é otimizado para comunicações de longo alcance por via aérea e nossa pesquisa está analisando a ciência fundamental por trás do método para encontrar formas de melhorar ainda mais suas capacidades”.

Mark Kemp do SLAC e seus colaboradores estão testando uma nova antena para radiação de frequência muito baixa (VLF) enviando sinais para um transmissor a 30 metros de distância. (Dawn Harmer / SLAC National Accelerator Laboratory)

Uma antena mecânica

Para gerar radiação VLF, o dispositivo explora o que é conhecido como efeito piezoelétrico, que converte o estresse mecânico em um acúmulo de carga elétrica.

Os pesquisadores usaram um cristal em forma de bastão de um material piezoelétrico, o niobato de lítio, como sua antena. Quando aplicavam uma tensão elétrica oscilante na haste, ela vibrava, alternadamente encolhendo e expandindo, e esse estresse mecânico acionava uma corrente elétrica oscilante cuja energia eletromagnética era emitida como radiação VLF.

A corrente elétrica decorre de cargas elétricas que sobem e descem a haste. Nas antenas convencionais, esses movimentos são quase do mesmo tamanho que o comprimento de onda da radiação que produzem, e projetos mais compactos normalmente exigem unidades de sintonia que são maiores do que a própria antena. A nova abordagem, por outro lado, “nos permite excitar eficientemente ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda que são muito maiores que os movimentos ao longo do cristal e sem grandes sintonizadores, razão pela qual essa antena é tão compacta”, disse Kemp.

Os pesquisadores também descobriram uma maneira inteligente de ajustar o comprimento de onda da radiação emitida, ele disse: “Nós repetidamente trocamos o comprimento de onda durante a operação, o que nos permite transmitir com uma grande largura de banda. Isso é fundamental para alcançar taxas de transferência de dados de mais de 100 bits por segundo – o suficiente para enviar um texto simples ”.

Este trabalho foi feito em colaboração com a SRI International e a Gooch e Housego, uma empresa de tecnologia fotônica. O projeto faz parte do esforço da AMEBA, financiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA). A equipe de pesquisa tem uma patente pendente para sua tecnologia, arquivada através da Universidade de Stanford.

Com informações do SLAC National Accelerator Laboratory

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