Учёные из Новгородского государственного университета (НовГУ) совместно с коллегами из Китая разработали опытный образец новой магнитоэлектрической антенны для связи на очень низких частотах. Устройство имеет размеры значительно меньше традиционных аналогов и успешно прошло испытания. По словам специалистов, это открывает путь к созданию портативных систем для подводной коммуникации.

Авторами проекта от НовГУ стали заведующий кафедрой проектирования и технологии радиоаппаратуры профессор Мирза Бичурин, ведущий научный сотрудник Олег Соколов и магистрант кафедры Сергей Иванов. В составе группы также работали исследователи из университетов Научно‑технологического Нанкина, Сианьского Цзяотуна и Шанхайского института керамики Китайской академии наук.

Как отмечают учёные, под водой беспроводная связь практически не работает. Радиоволны легко распространяются в воздухе, но в море быстро затухают. Передача информации с помощью звуковых волн решает эту проблему, но имеет ряд недостатков. Среди них большая задержка передачи, многолучевое распространение и чувствительность к помехам.

Решением для этого выступает использование электромагнитных волн очень низкой частоты от 3 до 30 КГц. Эти волны способны проникать на значительную глубину в морскую воду. Однако у этого метода есть ограничение. Это так называемый предел Чу‑Харрингтона. Согласно этому принципу, эффективность излучения антенны напрямую зависит от её размера относительно длины волны.

Длины электромагнитных волн в диапазоне очень низких частот составляют десятки километров. Это означает необходимость в гигантских антенных сооружениях. Классический пример — американский передатчик The VLF Transmitter Cutler. Он потребляет около двух мегаватт энергии и занимает территорию 8,1 км2. Такие системы не портативны и очень дороги в эксплуатации.

Чтобы обойти это ограничение, учёные активно разрабатывают так называемые механические антенны. Антенны генерируют электромагнитное излучение за счёт механического движения электрических зарядов или магнитных диполей. Чтобы возникло электромагнитное излучение, необходимо быстро вращать такой магнит вокруг своей оси. Но у подобных систем тоже есть ограничения. Это проблемы с точностью контроля скорости вращения и инерционностью. Кроме того, такие устройства отличаются медленной передачей данных.

Более перспективным направлением считаются магнитоэлектрические антенны. Их работа основана на обратном магнитоэлектрическом эффекте. На специальный композитный материал подаётся электрическое напряжение, и он в ответ создаёт магнитное поле. Композит состоит из двух ключевых компонентов. Это пьезоэлектрик и магнитострикционный материал.

Первый при подаче на него переменного электрического напряжения начинает механически сжиматься и разжиматься. Второй, будучи приклеенным к пьезоэлектрику, деформируется вместе с ним. Это заставляет его колебаться, в результате чего меняются магнитные свойства материала. Переменная намагниченность в магнитострикционном материале генерирует переменное магнитное поле в окружающем пространстве. Это и есть излучение на очень низких частотах.

Такой подход позволяет обойти предел Чу‑Харрингтона. Размер антенны определяется длиной не электромагнитной, а акустической волны в твёрдом материале. Таким образом можно добиться серьёзного уменьшения размеров передающих и приёмных антенн. Однако для высокой эффективности работы магнитоэлектрической антенны её пьезоэлектрический материал должен обладать высокими параметрами. Он должен иметь высокий пьезоэлектрический коэффициент и механическую добротность. Первый отвечает за силу, с которой материал деформируется при подаче напряжения. Второй характеризует потери энергии при вибрации. Но в большинстве известных композитов улучшение одного параметра ведёт к ухудшению свойств другого.

Учёные создали новый материал, который решает эти проблемы. Его основа — классическая пьезокерамика, состоящая из цирконата‑титаната свинца. Исследователи модифицировали её состав, добавив индий и ниобий, а также марганец и сурьму.

Полученная керамика показала качественные и сбалансированные характеристики. Пьезоэлектрический коэффициент составил 401 пКл/Н, а механическая добротность — 1510 пКл/Н. Первый показывает то, насколько сильно материал сжимается или растягивается при подаче напряжения. Чем выше показатель, тем мощнее вибрация. Второй параметр отражает, насколько мало энергии теряется при этой вибрации на бесполезный нагрев. Чем он выше, тем эффективнее работает антенна.

Испытания показали, что магнитоэлектрическая антенна на основе этого композита генерирует магнитное поле почти в два раза сильнее, чем передатчик на основе одного из лучших коммерческих образцов пьезокерамики PZT-8. Обратный магнитоэлектрический коэффициент составил 1,78 Гаусс·см/В. При размере антенны 14 см в длину создаваемое ею магнитное поле можно было зафиксировать на расстоянии нескольких метров. Сигнал передачи данных от такой антенны будет распространяться на расстояние до 100 м.

Ещё больше уменьшить размеры антенны уже не получится. Ведущий научный сотрудник Олег Соколов пояснил, что основная резонансная частота обратно пропорциональна длине композита. Поэтому при уменьшении длины возрастает резонансная частота и выходит за пределы диапазона очень низких частот. Также величина излучаемого магнитного поля пропорциональна объёму магнитострикционной фазы. Поэтому при уменьшении размеров антенны уменьшается величина излучаемого магнитного поля. Очень сильно уменьшать размеры магнитоэлектрической антенны нельзя. Должен быть соблюдён некоторый компромисс между размерами антенны и необходимыми её рабочими характеристиками.

Чтобы показать, что система реально работает, учёные также собрали опытный образец мини‑радиостанции и передали по ней два типа сообщений. Это были цифровой и аналоговый сигналы. Оба были успешно приняты и распознаны.

Олег Соколов добавил, что дальность связи отчасти можно повысить, увеличивая размеры антенны, но это не панацея. Также исследуются применение материалов с улучшенными характеристиками. Ещё дальность связи можно повысить, применяя специальную геометрию антенны, а также используя несколько антенн, объединённых в массив. Существует много разных способов, но также много проблем при их реализации. Несколько групп исследователей в мире пробуют разные способы, пытаясь достичь больших дальностей.

Разработанная технология открывает путь к созданию портативных и эффективных систем связи для подводных аппаратов, аквалангистов и подводной робототехники, где использование громоздких антенн ранее было невозможным.