导语
美国近期开发了一种新型便携式甚低频（VLF）天线，可在传统无线电通信失效的环境中实现移动通信。该技术将具备极其广阔的军事应用前景，如水下潜艇、水面舰艇和空中平台之间，以及地面上下军事平台之间的相互快速、高效率通信。
一、项目背景
该项目由美国能源部SLAC国家加速器实验室牵头，由国防高级研究计划局（DARPA）资助，合作机构包括斯坦福国际研究院以及Gooch & Housego公司（一家全球领先光子技术公司）。研究团队已通过斯坦福大学正式提交了技术专利申请，相关研究结果于4月12日发表在美国《自然通信》杂志上。
VLF通信系统（3 ~30 千赫兹）能发射波长较长的无线电波，可实现在较高频率下不可行的应用。然而，只有当VLF通信系统的天线长度与其发射的无线电波波长相当时（此处> 1 千米），系统效率才达到最高，这使无线电波发射器实现便携式应用极具挑战性。为实现便携式无线电波发射器达到10 厘米尺寸级，SLAC团队展示了一种超低损耗的铌酸锂压电电偶极子，它可在声学共振下驱动，与此前最前沿设备相比，在尺寸相当的情况下，其效率提高了300倍以上。压电辐射元件由于可在声波波长处自谐振，消除了对大阻抗匹配网络的依赖。该谐振的时间调制表明，其数据传输带宽比传统Bode-Fano的最大带宽高83倍有余，从而增加了无线电波发射器的比特率，同时可使辐射能量损耗最小化。这些结果将为便携式“电小天线”（最大尺寸小于工作波长 1/2π或1/10的天线）开辟新的应用。
▲SLAC团队研发的新型便携式甚低频（VLF）天线
二、两大技术挑战
在现代电信中，无线电波通过空气传输信息，应用于无线电广播、雷达和导航系统等多个领域。但是，传统无线电波波长较短，沿地球表面传播的地波绕射能力较差，传播有效距离短；其信号强度会随着传播距离的延长而逐渐衰减，且不能在水下传播、容易被岩石层阻挡。相反，VLF无线电波的波长较长，可在空气中传播数千公里，并可穿透地面和水面传播数百公里。
但VLF技术也面临着两大技术挑战。VLF设备需要能够延伸数公里的巨大天线阵列，当天线的长度与其发射的无线电波波长相当时，VLF设备效率最高。小型VLF发射器效率则低得多，且其重量可达数百斤，限制了它们作为移动通信设备的预期用途。另一个挑战是VLF通信带宽较低，限制了它可以有效传输的数据量。
新型VLF天线克服了这两大技术难题。其紧凑的尺寸可以构建重量仅为几斤的无线电波发射器。在发射器向30多米外的接收器发送信号的测试中，研究人员证明新型VLF天线产生VLF无线电波的效率比之前同等级VLF天线高300倍，并且数据传输带宽几乎是之前的100倍。
三、VLF天线性能及应用
新型便携式VLF天线可发射波长为数十至数百英里的VLF无线电波。这些无线电波可在地平线上进行长距离传传输，并穿透短波长无线电波无法通过的环境。虽然如今大部分VLF技术需要体型巨大的发射器，但该天线只有四英寸高（约10厘米），因此未来可用于高机动性任务，如救援、防御任务。
项目首席研究员马克·肯普表示，VLF天线的通信效率提高了数百倍，可比之前同等尺寸的设备更快地传输数据；它的性能突破了技术上限，并使便携式VLF应用（例如在挑战性环境中发送简讯）变得触手可及。该VLF天线针对空中远程通信进行了优化，具有广阔的应用前景。目前，项目团队正在研究该技术背后的基础科学，以寻找进一步增强其性能的方法。
四、VLF天线设计原理
电荷在天线上来回移动可以产生电流。在传统天线中，这些电荷的运动位移与它们产生的无线电波波长相近，并且小型化设计通常需要比天线本身更大的天线调谐器。然而，新型VLF设备可以在无需大型天线协调器的情况下，产生出波长远大于电荷运动位移的电磁波，因此该设备可以实现小型化无线电通信。
新型VLF天线利用压电效应（电介质受到外力作用变形时，它的两个相对表面上出现正负电荷。），将机械应力转换为电荷的累积，从而产生无线电波。
研究人员使用杆状晶体压电材料“铌酸锂”作为新型VLF天线材料。当在杆状天线底部施加振荡电压时，天线通过交替收缩与膨胀引起振动，振动产生的机械应力会触发振荡电流，振荡电流形成的电磁能随后以VLF无线电波的形式向外传播。在操作期间，可通过波长控制设备调整无线电波波长，并优化VLF天线传输数据的速率（见图1）。
研究人员还发现了一种巧妙调整发射无线电波波长的方法，他们在操作过程中反复切换波长，使该VLF天线能够以大带宽进行有效数据传输，这是实现每秒超过100比特数据传输速率的关键。
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