Un nouveau type d’antenne de poche, mis au point au SLAC (Laboratoire national de l’accélérateur ou SLAC National Accelerator Laboratory) pourrait permettre la communication mobile dans des situations où les radios conventionnelles ne fonctionnent pas, comme sous l’eau, dans le sol et sur de très longues distances par voie aérienne.
Un nouveau type d’antenne de poche, mis au point au laboratoire national SLAC du ministère de l’Énergie, pourrait permettre la communication mobile dans des situations où les radios conventionnelles ne fonctionnent pas, comme sous l’eau, dans le sol et sur de très longues distances par voie aérienne.
L’appareil émet un rayonnement à très basse fréquence (VLF) dont la longueur d’onde varie de quelques dizaines à plusieurs centaines de kilomètres. Ces ondes voyagent sur de longues distances au-delà de l’horizon et peuvent pénétrer dans des environnements qui bloqueraient les ondes radio de longueurs d’onde plus courtes. Alors que la technologie VLF la plus puissante d’aujourd’hui nécessite des émetteurs gigantesques, cette antenne ne mesure que 4 pouces de haut, elle pourrait donc être utilisée pour des tâches nécessitant une grande mobilité, y compris des missions de sauvetage et de défense.
« Notre appareil est également des centaines de fois plus efficace et peut transmettre des données plus rapidement que les appareils précédents de taille comparable « , a déclaré Mark Kemp du SLAC, le chercheur principal du projet. « Ses performances repoussent les limites de ce qui est technologiquement possible et mettent à portée de main les applications VLF portables, comme l’envoi de courts messages texte dans des situations difficiles.
L’équipe dirigée par le SLAC a présenté ses résultats aujourd’hui dans Nature Communications.
Un défi de taille
Dans les télécommunications modernes, les ondes radio transportent l’information par voie aérienne pour la radiodiffusion, les systèmes radar et de navigation et d’autres applications. Mais les ondes radio à longueur d’onde plus courte ont leurs limites : Le signal qu’ils transmettent devient faible sur de très longues distances, ne peut pas traverser l’eau et est facilement bloqué par des couches de roche.
Une nouvelle antenne compacte pour les transmissions à très basse fréquence (VLF), développée et testée au SLAC, consiste en un cristal piézoélectrique de 4 pouces de long (tige transparente au centre) qui génère un rayonnement VLF. Source : Dawn Harmer/SLAC National Accelerator Laboratory
En revanche, la longueur d’onde plus longue du rayonnement VLF lui permet de parcourir des centaines de pieds dans le sol et l’eau et des milliers de milles au-delà de l’horizon dans l’air.
Cependant, la technologie VLF présente également des défis majeurs. Une antenne est plus efficace lorsque sa taille est comparable à la longueur d’onde qu’elle émet ; la grande longueur d’onde du VLF nécessite d’énormes réseaux d’antennes qui s’étendent sur des kilomètres. Les petits émetteurs VLF sont beaucoup moins efficaces et peuvent peser des centaines de livres, ce qui limite leur utilisation prévue comme appareils mobiles. Un autre défi est la faible bande passante de la communication VLF, qui limite la quantité de données qu’elle peut transmettre.
La nouvelle antenne a été conçue en gardant ces questions à l’esprit. Sa taille compacte pourrait permettre de construire des émetteurs qui ne pèsent que quelques kilos. Lors d’essais qui ont envoyé des signaux de l’émetteur à un récepteur situé à une distance de 100 pieds, les chercheurs ont démontré que leur appareil produisait un rayonnement VLF 300 fois plus efficace que les antennes compactes précédentes et transmettait des données avec une largeur de bande presque 100 fois supérieure.
« Il y a de nombreuses applications potentielles passionnantes pour cette technologie, a dit M. Kemp. « Notre appareil est optimisé pour la communication à longue portée par voie aérienne, et nos recherches portent sur la science fondamentale qui sous-tend cette méthode afin de trouver des moyens d’en améliorer encore les capacités. »
Principe d’une nouvelle antenne compacte très basse fréquence (VLF). Il se compose d’un cristal en forme de tige d’un matériau piézoélectrique, le niobate de lithium (au centre). Une tension électrique oscillante (onde rouge) appliquée au fond de la tige la fait vibrer. Cette contrainte mécanique déclenche un courant électrique oscillant (flèches) dont l’énergie électromagnétique est ensuite émise sous forme de rayonnement VLF (ondes bleues). L’appareil peut être commuté en cours de fonctionnement pour ajuster la longueur d’onde du rayonnement émis et optimiser la vitesse à laquelle l’appareil peut transmettre les données. Source : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Antenne mécanique
Pour générer un rayonnement VLF, l’appareil exploite ce qu’on appelle l’effet piézoélectrique, qui convertit la contrainte mécanique en une accumulation de charge électrique.
Les chercheurs ont utilisé comme antenne un cristal en forme de tige d’un matériau piézoélectrique, le niobate de lithium. Lorsqu’ils appliquaient une tension électrique oscillante à la tige, celle-ci vibrait, se rétrécissant et se dilatant alternativement, et cette contrainte mécanique déclenchait un courant électrique oscillant dont l’énergie électromagnétique était alors émise sous forme de rayonnement VLF.
Le courant électrique provient de charges électriques qui montent et descendent le long de la tige. Dans les antennes conventionnelles, ces mouvements ont à peu près la même taille que la longueur d’onde du rayonnement qu’elles produisent, et les modèles plus compacts nécessitent généralement des unités d’accord plus grandes que l’antenne elle-même. La nouvelle approche, d’autre part, » nous permet d’exciter efficacement les ondes électromagnétiques avec des longueurs d’onde qui sont beaucoup plus grandes que les mouvements le long du cristal et sans grands tuners, ce qui explique pourquoi cette antenne est si compacte « , dit Kemp.
Les chercheurs ont également trouvé un moyen astucieux d’ajuster la longueur d’onde du rayonnement émis, dit-il : « Nous changeons constamment de longueur d’onde en cours de fonctionnement, ce qui nous permet de transmettre avec une large bande passante. C’est la clé pour atteindre des taux de transfert de données de plus de 100 bits par seconde, assez pour envoyer un texte simple. »
