Dans le domaine des recherches la STE SLAC développe une nouvelle antenne compacte pour la communication en cas d'échec des radios

Cet appareil de 4 pouces (environ 10 cm) pourrait être utilisé dans des émetteurs portables pour des missions de sauvetage et autres applications complexes exigeant une grande mobilité.

Menlo Park, Californie - Un nouveau type d'antenne de poche, développé par le laboratoire d'accélération national la SLAC du ministère de l'Énergie, pourrait permettre la communication mobile dans des situations où les radios classiques ne fonctionnent pas, par exemple sous l'eau, par terre ou par dessus de très longues distances dans l'air.

L'appareil émet un rayonnement à très basse fréquence (VLF) avec des longueurs d'onde de plusieurs dizaines à des centaines de kilomètres. Ces ondes parcourent de longues distances au-delà de l'horizon et peuvent pénétrer dans des environnements susceptibles de bloquer les ondes radio ayant des longueurs d'onde plus courtes. Alors que la technologie VLF la plus puissante d’aujourd’hui nécessite des émetteurs gigantesques, cette antenne mesure seulement 10 cm de hauteur et peut donc être utilisée pour des tâches nécessitant une grande mobilité, notamment 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. Ses performances repoussent les limites de ce qui est techniquement possible et permettent aux applications VLF portables, telles que l’envoi de courts messages textuels dans des situations difficiles, d’être atteintes.

A déclaré Mark Kemp, de SLAC, l'investigateur principal du projet.

L'équipe dirigée par le SLAC a rendu compte de ses résultats dans la revue Nature & Communications .

Un nouveau type d'antenne de poche, développé au SLAC, pourrait permettre la communication mobile dans des situations où les radios classiques ne fonctionnent pas, par exemple sous l'eau, dans le sol ou sur de très longues distances dans l'air. (Greg Stewart / SLAC Laboratoire national des accélérateurs)

Un défi de taille

Dans les télécommunications modernes, les ondes radioélectriques transportent des informations par voie aérienne pour les émissions radio, les systèmes de radar et de navigation et d’autres applications. Mais les ondes radioélectriques de longueur d'onde plus courte ont leurs limites : le signal qu'elles transmettent devient faible sur de très longues distances, ne peut pas traverser les eaux et est facilement bloqué par des couches de roche.

En revanche, la longueur d'onde plus longue du rayonnement VLF lui permet de parcourir des centaines de mètres dans le sol et dans l'eau, et des milliers de kilomètres 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 longue longueur d'onde du VLF nécessite d'énormes réseaux d'antennes s'étendant sur des kilomètres *. Les émetteurs VLF plus petits sont beaucoup moins efficaces et peuvent peser des centaines de kilos, ce qui limite leur utilisation prévue en tant qu'appareils mobiles. Un autre défi est la faible bande passante de la communication VLF, qui limite la quantité de données qu’elle peut transmettre.

Une nouvelle antenne compacte pour les transmissions à très basse fréquence (VLF), développée et testée au SLAC, consiste en un cristal piézoélectrique de 10 cm de long (tige transparente au centre) générant un rayonnement VLF. (Dawn Harmer / SLAC Laboratoire national des accélérateurs)

La nouvelle antenne a été conçue en tenant compte de ces problèmes. Sa taille compacte pourrait permettre de construire des émetteurs ne pesant que quelques kilos. Lors de tests qui ont envoyé des signaux de l'émetteur à un récepteur situé à une centaine de mètres, les chercheurs ont démontré que leur appareil produisait un rayonnement VLF 300 fois plus efficacement que les antennes compactes précédentes et transmettait des données avec une bande passante presque 100 fois supérieure.

Il existe de nombreuses applications potentielles intéressantes pour la technologie. Notre appareil est optimisé pour les communications longue distance par voie aérienne. Nos recherches portent sur les fondements scientifiques de la méthode afin de trouver des moyens d'améliorer encore ses capacités.

A déclaré Mark Kemp, de SLAC

Mark Kemp du SLAC et ses collaborateurs testent une nouvelle antenne pour les rayonnements à très basse fréquence (VLF) en envoyant des signaux à un émetteur à 30 mètres. (Dawn Harmer / SLAC Laboratoire national des accélérateurs)

Une antenne mécanique

Pour générer un rayonnement VLF, le dispositif exploite ce que l’on appelle l’effet piézoélectrique, qui convertit les contraintes mécaniques en une accumulation de charge électrique.

Les chercheurs ont utilisé comme antenne un cristal en forme de tige en matériau piézoélectrique, le niobate de lithium. Lorsqu'ils appliquent une tension électrique oscillante à la tige, celle-ci vibre, se contractant et se dilatant alternativement, et cette contrainte mécanique déclenche un courant électrique oscillant dont l'énergie électromagnétique est ensuite émise sous forme de rayonnement VLF.

Le courant électrique provient de charges électriques qui montent et descendent la tige. Dans les antennes conventionnelles, ces mouvements ont presque la même taille que la longueur d'onde du rayonnement qu'ils produisent, et des conceptions plus compactes nécessitent généralement des unités de réglage plus grandes que l'antenne elle-même. La nouvelle approche, en revanche, « nous permet d'exciter efficacement les ondes électromagnétiques avec des longueurs d'onde beaucoup plus grandes que les mouvements le long du cristal et sans grands tuners, c'est pourquoi cette antenne est si compacte », a déclaré Mark Kemp.

Principe d'une nouvelle antenne compacte très basse fréquence (VLF). Il est constitué d'un cristal en forme de tige d'un matériau piézoélectrique, le niobate de lithium (à gauche). Une tension électrique oscillante (onde rouge) appliquée au bas 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). Pendant les opérations, l’appareil peut être commuté pour ajuster la longueur d’onde du rayonnement émis et optimiser la vitesse à laquelle l’appareil peut transmettre des données. (Greg Stewart / SLAC Laboratoire national des accélérateurs)

Les chercheurs ont également trouvé un moyen astucieux de modifier la longueur d'onde du rayonnement émis, a-t-il déclaré : « Nous commutons de manière répétée la longueur d'onde en cours de fonctionnement, ce qui nous permet de transmettre avec une large bande passante. Ceci est essentiel pour atteindre des taux de transfert de données supérieurs à 100 bits par seconde - suffisamment pour envoyer un simple texte. »

Ce travail a été réalisé en collaboration avec SRI International et Gooch and Housego, une entreprise de technologie de la photonique. Le projet s'inscrit dans le cadre de l'effort AMEBA , financé par la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). L’équipe de recherche a un brevet en instance pour sa technologie, déposée par l’Université de Stanford .

-Écrit par Manuel Gnida

Le SLAC est un laboratoire multiprogramme explorant des questions de pointe en science des photons, en astrophysique, en physique des particules et dans la recherche sur les accélérateurs.Situé à Menlo Park, en Californie, le SLAC est géré par l’Université de Stanford pour l’Office des sciences du Département de l’énergie des États-Unis. Pour en savoir plus, visitez le site www.slac.stanford.edu .

Le Laboratoire national d'accélérateurs du SLAC bénéficie du soutien de l'Office of Science du US Department of Energy. L'Office of Science est le principal partenaire de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s'efforce de relever certains des défis les plus pressants de notre époque. Pour plus d'informations, visitez science.energy.gov

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