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微型天线可在复杂环境中实现机器人分组金玉岚

2022年08月24日

微型天线可在复杂环境中实现机器人分组

一种新型的，具有增强带宽的微型低频天线将能够在复杂环境中的紧凑型移动机器人之间实现强大的联网。

在美国陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室和密歇根大学之间的共同努力下，研究人员开发了一种新颖的设计方法，该方法改善了在低频下运行的常规天线的局限性，展示了保持性能的较小天线。

阻抗匹配是天线设计的关键方面，可确保无线电在发射模式下以最小的反射率通过天线发射功率，并且确保天线在接收模式下捕获功率，以有效地在整个频率范围内与无线电耦合操作带宽

“采用无源元件的常规阻抗匹配技术有一个基本极限，称为Chu-Wheeler极限，它为给定天线尺寸定义了最大可实现带宽效率乘积的界线，”他说。陆军研究员Fikadu Dagefu博士。“一般来说，低频天线物理上很大，或者它们的小型化天线的带宽和效率非常有限，从而导致更高的功率要求。”

考虑到这些挑战，研究人员开发了一种新颖的方法，可在不增加尺寸或不改变天线拓扑的情况下提高带宽和效率。

陆军博士后研究员Jihun Choi博士说：“提出的阻抗匹配方法将模块化有源电路应用于高度小型化，高效，轻巧的天线，从而克服了前述的Chu-Wheeler性能极限。” “这种微型，主动匹配的天线可以将高效节能的低频无线电系统集成在紧凑型移动代理上。”

研究人员说，这种方法可以为陆军网络化创造新的机会。

美国陆军研究人员开发了一种主动匹配技术，为地面机器人车辆配备了功能强大的微型天线。信用：美国陆军

集成具有小巧，重量轻，功率低的低频无线电系统的能力为利用这种未被充分利用和探索不足的频带作为异构自主网络范式的一部分打开了大门。

在这种范例中，配备了补充通信方式的特工必须根据该特定任务所处环境的挑战来调整其方法。具体而言，较低的频率由于其改善的穿透力和减少的多径效应而适合在复杂的传播环境和地形中进行可靠的通信。

达格夫说：“我们将开发的天线集成在小型无人驾驶的地面车辆上，并展示了UGV之间可靠，实时的数字视频流，而这种紧凑型低频无线电系统是以前无法做到的。” “通过利用这项技术，机器人特工可以协调和组建团队，从而实现独特的功能，例如分布式按需波束成形，用于定向和安全的战场联网。”

研究人员说，到2050年，全世界80％以上的人口将生活在人口稠密的城市环境中，因此创新的陆军网络功能对于创造和维持转型性的过度竞争是必不可少的。缺乏固定的基础设施，以及与近身对手相比越来越需要竞争优势的需求，给陆军网络带来了进一步的挑战，这是多领域作战的首要现代化任务。

尽管先前的实验研究表明，将有源匹配应用于小型非谐振天线可以提高带宽，但是与性能接近于Chu-Wheeler的小型谐振天线相比，没有以前的工作可以同时确保带宽和辐射效率的提高限制。

陆军主导的主动匹配设计方法解决了这些主要挑战，这些挑战源于带宽，效率和稳定性之间的权衡。研究人员构建了一个15厘米的原型，并证明了与不采用主动匹配的同一天线相比，新设计的带宽提高了三倍以上，同时与状态相比，传输效率提高了10倍。相同尺寸的最先进的有源匹配天线。

Choi说：“在设计中，高度精确的模型捕获了高度小型化的谐振天线的急剧阻抗变化。” “基于该模型，我们开发了一种有源匹配电路，该电路可以同时提高带宽和效率，同时确保电路完全稳定。”

该团队发表了他们的研究成果，即由Drs撰写的《用于在低VHF时进行功率高效和带宽增强操作的微型有源匹配天线》。崔继勋，Fikadu Dagefu，Brian Sadler和Kamal Sarabandi教授在同行评审的《电气与电子工程师学会天线与传播事务》杂志上发表的论文。

达格夫说：“这项技术对于未来的发展以及向陆军各合作伙伴的过渡已经成熟。” “我们对异构网络研究各个方面的整合感到乐观，这项技术将得到进一步发展，并将被整合到未来的陆军通信系统中。”