便携式ULF/VLF机械通信天线技术的研究进展*

孙 雷，韩 峰

(1.北京建筑大学 电气与信息工程学院，北京 100044；2.北京机电工程研究所，北京 100074)

0 引 言

特低频(Ultra Low Frequency,ULF)/甚低频(Very Low Frequency,VLF)通信技术可用于水下或地下通信。传统的通信需求是超远距离水下通信，为此在陆上构建了大功率且天线体积庞大的发射系统。近年来，移动平台近距离水下通信的需求，以及超视距陆上通信及地下通信的需求不断增多，特别是近水面空间的跨水空介质直接通信的需求，需将空中移动网络和水下移动网络进行连接，构建立体式通信网络，用于延拓网络的覆盖空间，提升移动平台的导航、定位及协同能力。

为满足上述应用需求，2017年美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)发布了机械天线(A Mechanically Based Antenna，AMEBA)项目征询书[1-2]，希望通过探索基于磁偶极子和电偶极子在机械运动时产生时变磁场的机理和方法，开发功耗小于20 W、质量不超过10 kg、单人可携带，可满足水中、陆地、地下等应用场合的新型ULF/VLF信号发射机。根据AMEBA项目的需求，国外开展了机理研究和基础方法的研究，成果丰富[3-8]。国内虽然也启动了相关的机理和基础实验[9-11]，但在研究思路及方法方面距离国外尚有一定的差距。

1 机械通信天线项目简介

1.1 机理描述

机械天线生成与发射ULF/VLF频段电磁波的创新机理是利用强磁场材料(永磁体)或强电场材料(驻极体)的机械运动生成载波频率低于30 kHz的射频信号。项目建议书中共提出了三种原理性方案，分别为旋转电偶极子、旋转电单极子和旋转磁偶极子，如图1所示。

图1 机械天线产生电磁波的原理示意图

具有磁场或电场的物体通过往复机械运动产生交变电场或交变磁场。首先,永磁体或驻极体在有限的容器中形成强电场或强磁场，然后通过外力驱动容器执行特定频率的往复机械运动，就会在相应频率上产生交变电磁信号，实现射频信号发射，其等效模型如图1所示。其中，驻极体是一种被永久极化的绝缘物质，如石英玻璃圆柱棒，其电荷被永久分开形成电偶极子。

(a)永磁体的等效电流环模型

1.2 应用需求

AMEBA项目的优势是可靠的窄带通信，射频信号具备强穿透性，且难以干扰。AMEBA项目列举了三个应用设想，分别是拒止环境下的水下通信、拒止环境下的地下通信和便携式远距离陆上通信，如图3所示。

图3(a)为拒止环境下的水下通信，以潜艇为水下通信节点，分别与多潜水员、水面无人舰艇和水面舰船进行短距离通信。在水下高频射频信号穿透性差，无法进行长距离通信，低频射频信号穿透性好，能实现长距离通信，但天线体积较大，设备适装性差。利用AMEBA项目研发的ULF/VLF发射机能显著减小长波通信设备的尺寸、重量和功耗等，可装备潜艇、UUV、浮标、蛙人等，提高水下远距离通信能力。

图3(b)为拒止环境下的地下通信，是地面作战人员与地下掩体中的人员进行短距离通信。与水下环境类似，土壤、岩石等也会阻挡高频射频信号。利用AMEBA项目研发的ULF/VLF发射机可实现碉堡、矿坑或洞穴与地面间的通信，也可广泛用于矿难、地震等自然灾害救援。

图3(c)为便携式远距离陆上通信，是由单兵携带通信设备进行上百公里的陆上通信。目前，美军地面部队使用的通信设备主要是PRC-117卫星通信系统以及PRC-150高频无线电系统，尽管具备超视距通信能力，但需要发射端掌握接收端的精确位置，且操作人员需要随时根据电离层的高低改变天线角度。此外，卫星通信系统在高烈度对抗环境下相当脆弱。因此，利用AMEBA项目研发的ULF/VLF发射机可装备单兵，可为美国陆军及海军陆战队提供超视距通信能力。

(a)拒止环境下的水下通信应用设想

此外，DARPA还列举了一个潜在应用场景，即GPS拒止环境下的定位和授时。GPS卫星容易遭到反卫星武器攻击失效，且GPS信号强度弱、易受干扰，在水下无法使用。利用AMEBA项目研发的ULF/VLF通信设备能通过三角定位法确定潜艇、UUV自身位置，实现不依赖GPS的导航定位。

表1给出了机械天线项目不同应用场景下系统期望达到的性能指标。

表1 机械天线项目应用期望指标分析

1.3 研究内容

为达到低频便携式发射机的相关性能要求，AMEBA项目针对应用需求，提出了两个研究方向，一是ULF频段信号穿透技术，二是VLF频段信号传播技术,并量化了每个研究方向的期望指标。

1.3.1 ULF频段(0.3～3 kHz)信号穿透技术

为满足百米距离的水下通信(海水介质)和几百米距离的地下通信(不同组成成分和含水量的土壤与岩石介质)的需求，利用ULF频段电磁信号的穿透特性，研究ULF频段发射机技术，将面临三个问题：一是如何在接收机所在位置具有足够大的场强，以使得信号相比于接收机的噪声基底和背景杂波足够大，满足信号检测的需求；二是如何有效调制载波频率以获得有用的信息带宽；三是如何设计具有低功耗、便携式优点的发射机整机。传统的天线设计方法，如单极、双极和环形天线，会导致发射机系统体积和功耗都偏大，无法解决上述技术难题。因此，需要借助导体或部分传导媒介的通信链路，开发尺寸和功耗都适合于便携式应用的发射机。图4给出了不同条件下的射频穿透性能。

(a)海水中的传播衰减

ULF频段信号穿透技术的研究目标是研发1 kHz频率以下的射频发射机样机，系统质量不超过10 kg，总功耗不超过20 W。表2给出了ULF频段信号穿透技术各阶段的预期性能。

表2 ULF频段信号穿透技术各阶段的预期性能

ULF频段信号穿透技术在阶段1和2中，允许在较近的距离开展测试，而期望指标是通过外推方式进行验证的。外推模型取决于源偶极子(电偶极子与磁极)，但它必须是麦克斯韦方程在自由空间的直接解，且需指定测试条件和使用的电磁辐射模型。

1.3.2 VLF频段(3～30 kHz)信号传播技术

为满足陆上100 km级的便携式通信需求，利用VLF频段电磁信号的传播特性，研究VLF频段发射机技术。VLF电磁波能连接自然发生的地球电离层波导，波导形成于地面和地球表面上空75～85 km的电离层之间。在地球-电离层波导内衰减小于6 dB/1 000 km，可以传播很远的距离，实现超视距通信，可以穿透数十米的海水或泥土。由于大尺寸和高损耗，传统的发射机技术将不再合适。AMEBA项目将研发尺寸和功耗都适合便携应用的发射机，可以克服传统电小天线的许多基本限制，在非常小的尺寸空间内谐振，同时表现出低损耗，能够形成距离大于100 km的通信链路。

VLF频段信号传播技术(3～30 kHz)的研究目标是研制系统功耗不超过20 W的VLF射频发射机，具体技术指标要求见表3。

表3 VLF频段信号传播技术各阶段的预期性能

1.4 经费预算

AMEBA项目于2017年8月启动，研发经费预计2 300万美元，其中ULF频段信号穿透技术方向经费950万美元，VLF频段信号传播技术方向经费1 350万美元，计划时长为45个月，分成三个阶段实施，研究难度逐渐增加。AMEBA项目的主要计划节点见表4。

表4 AMEBA项目的主要计划节点

AMEBA项目第一阶段共有6家单位承担，分别是斯坦福国际咨询研究所、休斯研究实验室、罗克韦尔·柯林斯公司、Vesperix公司、加州大学洛杉矶分校、伊利诺伊大学，第二、三阶段的合同视情选择研究单位。研发经费的投入见表5，第一阶段共投入900万美元，按照计划目前已完成阶段评审。

表5 研发经费投入

1.5 系统分析

AMEBA项目要求样机在小空间内构建强电磁场，实现化学和材料(永磁体和驻极体)、总体设计(这些材料的形状和封装几何尺寸)、机械工程(机械化移动磁体和驻极体来产生射频信号)等领域的技术创新，如图5所示。

图5 AMEBA发射机的基本框架和关键技术

传统发射机依靠功率放大器电路产生振荡电流，然后将电流馈入天线发射电磁波信号，而AMEBA项目研发的发射机由带有强电场或强磁场的特殊材料通过机械振动产生电磁波，例如利用磁棒或驻极体按特定速率反复移动产生ULF/VLF射频信号。发射机有供电和数据两个输入端口，由功率射频器件、匹配网络、机械驱动装置、电磁波发射材料、天线结构、温度控制器、封装与加固结构等部件构成，可在目标频带产生射频信号，并将原始数据调制到射频载波上。射频信号为脉冲形式，能在短时间内在指定距离处产生一定的磁场强度，而不是稳态振荡磁场。系统可配置低温冷却系统。

2 项目研究进展

目前，已公布的该项目研究成果主要是来自于美国能源部下属的国家加速实验室(Stanford Linear Accelerator Center，SLAC)，其联合斯坦福国际咨询公司和古奇·休斯古公司(Gooch and Housego)研制出10 cm尺寸大小规模的小型发射器，如图6所示。这种具有超低损耗的铌酸锂压电电偶极子发射器可在声学共振下驱动，与传统的技术相比，在相当电气的尺寸下，辐射效率能够提高300倍以上。压电辐射元件消除了对大阻抗匹配网络的需求，它在声波波长处自谐振，该谐振的时间调制表明器件带宽大于传统Bode-Fano极限的83倍，从而增加了发射器比特率，同时仍然使损耗最小化。在《Nature Communications》期刊上发布了具体的研究思路及方法[7]。

图6 SLAC开发的新颖的紧凑型天线

该团队提出的机械天线方案是基于棒状晶体铌酸锂(LiNbO3)天线的VLF发射机。LiNbO3压电驱动器不需要高压驱动，驱动容易实现和控制，并且横向长度振动模式单一，机电耦合效率较高，压电性能优于石英压电驱动器。样机的工作原理如图6(a)所示，该装置利用压电效应，将机械应力转换为电荷的累积，通过晶体的规律性伸缩变形的机械振动，在压电晶体周围产生时变电磁场，并采用了一种直接天线调制(Direct Antenna Modulation,DAM)技术用于调整辐射波长的新方法，基于这种技术，数据传输速率可超过100 b/s，足可发送一条简单的文本。

机械天线技术研究中，主要涉及机械天线的电磁场产生机理、创新性、灵活可拓展的模型、信号调制方式、能量耦合方式及团队协作模式等方面，具体如下：

(1)在构建系统模型时，需阐述在发射元件上产生电磁场的物理机理，并对比说明相对于传统方法的优势，计算分析在ULF/VLF频率下达到稳定状态所需的能量。

(2)机械天线技术的创新性，主要涉及材料、方法、可重复性、包装、处理、存储等方面的创新工作，需分阶段定义可衡量的阶段性成果及达成的技术指标，同时给出如何构建可拓展模型，通过灵活的方式可定量分析研究的内容，以达到期望的研究目标。

(3)调制方法及其实现及实施方法研究中，需指定传输的调制格式及可实现的数据速率(以每秒位数表示)，并量化传输比特信息所需的发射能量。

(4)在描述VLF频段信号传播技术时，需回答如何将能量耦合到辐射场，又是如何克服传统电气小天线的局限性等问题。

(5)在描述团队协作模式和合作方式时，需重视该技术的多学科性，必须在项目涉及的技术方面要有全面和足够的专业知识，需要完整和自给自足的团队来支持整个技术实现，而不是提供部分解决方案。

针对研究要求，SLAC项目团队将研究分为总体设计及原理演示试验设计、模拟发射机数字仿真及调制实验验证、机械和热仿真分析、晶体的生长及制造、电源转换装置、电磁场测量等工作，这些工作涉及到材料、电路、电磁学、仿真技术等多学科技术。并针对解决方法，提出需重点攻克的关键技术，分别是铌酸锂(LiNbO3)晶体的制造，安装和测试方法；多物理场和电路仿真方法；电磁场测量方法；天线Q值、天线效率和带宽利用率计算方法等，其基本研究思路如下：

(1)最基本创新点是选用一种超低损耗的铌酸锂(LiNbO3)晶体作为压电材料制作辐射元件，实现极高Q值的天线系统，不需外部阻抗匹配网络，且具备超出无源Bode-Fano限制的有效分数带宽。

(2)在铌酸锂(LiNbO3)晶体的制造、安装和测试方法研究中，LN晶体采用标准Czochralski生长工艺，按照Y36°方向粗切割成20 mm×20 mm×94 mm的长方体；在每个棒面上镀钛金属层；依次按照应用不同厚度氧化铝玻璃板、湿的碳化硅砂纸、1 μm氧化铝浆料和聚氨酯垫进行打磨抛光；并按照带有OFV-552传感器头的激光多普勒振动计Polytek OFV-5000监测晶体振动速度。

(3)在多物理场和电路仿真方法研究中，主要是应用FEM多物理软件COMSOL的MEMS工具箱，对压电系统进行建模，针对驱动器输入、压电等效电路、辐射耦合和调制电路建立等效电路模型，通过比较多物理场仿真结果与测量数据，研究形变与压电材料变形的量化关系，如给定输入电压和频率，计算频域响应参数，分析晶体的应力、偶极矩、振动速度和输入阻抗等。通过试验结果，确定等效电路模型中的元器件参数，用于分析模拟时域问题。

(4)在系统性能评估中，在近场，采用2 cm的金属螺柱作为探针测量电场；在远场，采用空心螺线管测量磁场，螺线管参数是200圈，直径1.2 m，宽6 cm，并包裹接地铝箔屏蔽电场信号，因磁场未校准，只用相对测量值，配合基准信号源进行分析。基准信号源提供与压电天线谐振频率近似的35.5 kHz频率的参考磁场，使用线圈发射器天线产生。

其他方面，本文不再赘述。总之，整个研究展现了通信、电路、电磁学等多学科的协同设计。

3 结束语

机械天线项目是研究便携式ULF/VLF通信系统和探测系统，一旦研发成功，将在海洋科学研究、资源开发及安全防卫中发挥重要的作用。本文通过梳理AEMBA项目的研究脉络，探讨了机械天线的创新性研究思路及方法，对国内科研人员开展便携式机械天线研究具有借鉴意义。机械天线的设计涉及到机械、材料、电磁学等多学科，在产品原型构建时，要充分重视系统的数字模型设计及全系统仿真，需考虑应用背景的约束条件，推进机械天线的应用。