doi :10.3969/j.issn.1001-893x.2021.03.020
引用格式：孙雷，韩峰.便携式ULF /VLF 机械通信天线技术的研究进展[J].电讯技术,2021,61(3):384-390.[SUN Lei,HAN Feng.Research progress of portable mechanically based antenna project for ULF /VLF communication[J].Telecommunication Engineering,2021,61(3):384-390.]
便携式ULF /VLF 机械通信天线技术的研究进展
∗
孙㊀雷∗∗
1，韩㊀峰2
(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)
摘㊀要：针对国内小型化低频通信天线的创新发展问题，从需求角度对美国国防部高级研究计划局
(Defense Advanced Research Projects Agency ,DARPA )发布的机械天线(A Mechanically Based Anten-
na ,AMEBA )项目展开系统分析，详细剖析了项目的需求体系结构及建立的应用需求模型，并以美国加速度计实验室研究成果为例，探析了机械天线项目中的通信㊁电路㊁电磁学等多学科协同设计思路，强调了工程化应用中需求模型㊁理论模型与实物样机模型的设计一致性，以及紧耦合模式的团队协作㊁相关的技术创新思路及方法，给出了该项目对国内工作的启发和思考㊂关键词：特低频/甚低频通信；机械天线项目；水下通信；地下通信；协同设计 开放科学(资源服务)标识码(OSID
):
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中图分类号:TN82㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-893X (2021)03-0384-07
Research Progress of Portable Mechanically Based Antenna
Project for ULF /VLF Communication
SUN Lei 1
,HAN Feng 2
(1.School of Electrical and Information Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,
Beijing 100044,China;2.Beijing Electro -mechanical Engineering Institute,Beijing 100074,China)
Abstract :Innovation is essential in the development of mechanically based communication antenna field in domestic.Through analyzing the A Mechanically Based Antenna(AMEBA)project of Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA),the project requirements architecture is described from different views.By comparing the research results of American Accelerometer Laboratory,the collaborative design method of AMEBA project in communication,circuits,electromagnetics is studied.The consistency of sys-tem model,the tight coupling mode of team collaboration and the technical innovation ideas and methods are emphasized,which is beneficial to domestic researchers.
Key words :ULF /VLF communication;AMEBA project;underwater communication;underground com
mu-nication;collaboration design
0㊀引㊀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㊂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㊂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
㊃
483㊃第61卷第3期2021年3月
电讯技术
Telecommunication Engineering
Vol.61,No.3March,2021
∗∗∗收稿日期:2020-04-28；修回日期:2020-07-08
基金项目：北京建筑大学科研基金(ZF14076)通信作者:sunlei@bucea.edu
台的导航㊁定位及协同能力㊂
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 A-gency,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20W㊁质量不超过10kg㊁单人可携带，可满足水中㊁陆地㊁地下等应用场合的新型ULF /VLF 信号发射机㊂根据A-MEBA 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]㊂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㊂ 1㊀机械通信天线项目简介
1.1㊀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30kHz 的射频信号㊂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㊁旋转电单极子和旋转磁偶极子，如图1所示
㊂
图1㊀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㊂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㊂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
㊂
(a)
永磁体的等效电流环模型
(b)驻极体的等效偶极子天线模型
图2㊀永磁体和驻极体的等效模型
1.2㊀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㊂AMEBA 项目列举了三个应用设想，分别是拒止环境下的水下通信㊁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㊂
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㊁水面无人舰艇和水面舰船进行短距离通信㊂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㊂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㊁重量和功耗等，可装备潜艇㊁UUV㊁浮标㊁蛙人等，提高水下远距离通信能力㊂
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㊂与水下环境
类似，土壤㊁岩石等也会阻挡高频射频信号㊂利用AMEBA 项目研发的ULF /VLF 发射机可实现碉堡㊁矿坑或洞穴与地面间的通信，也可广泛用于矿
㊃
583㊃第61卷孙雷，韩峰：便携式ULF /VLF 机械通信天线技术的研究进展第3期
难㊁地震等自然灾害救援㊂
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㊂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㊂此外，卫星通信系统在高烈度对抗环境下相当脆弱㊂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
㊂
(a)
拒止环境下的水下通信应用设想
(b)
拒止环境下的地下通信应用设想
(c)便携式远距离陆上通信应用设想
图3㊀机械天线项目的三种应用
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㊂GPS 卫星容易遭到反卫星武器攻击失效，且GPS 信号强度弱㊁易受干扰，在水下无法使用㊂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㊁UUV 自身位置，实现不依赖GPS 的导航定位㊂
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㊂表1㊀机械天线项目应用期望指标分析应用场景介质
多媒体网络中控载频/kHz 通信深度或距离/km 通信样式通信速率/
(b㊃s -1)拒止环境
下的水下通信海水10.1文本
消息
约10
拒止环境
下的地下通信土壤10.6文本
消息
约10
便携式远
directdraw
距离陆上通信
空气10200文本
消息
约10
1.3㊀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㊂1.3.1㊀ULF 频段(0.3~3kHz )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㊁便携式优点的发射机整机㊂传统的天线设计方法，如单极㊁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㊂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㊂图4给出了不同条件下的射频穿透性能
㊂
(a)海水中的传播衰减
(b)穿透金属屏蔽的传播损耗
图4㊀不同条件下的射频穿透特性
㊃
683㊃leonline 电讯技术㊀㊀㊀㊀2021年
ULF频段信号穿透技术的研究目标是研发
1kHz频率以下的射频发射机样机，系统质量不超过10kg，总功耗不超过20W㊂表2给出了ULF频
段信号穿透技术各阶段的预期性能㊂表2㊀ULF频段信号穿透技术各阶段的预期性能
阶段能力工作频
率/kHz
1km距离
处的稳磁
场强度/fT
稳态最
大输入
功率/W
达到稳态
运行时的
最大输入
能量/kJ
调制
速率/
(Hz㊃s-1)
调制
能量/
(J㊃Hz-1)
最大线
性尺
寸/cm
最大体
积/cm3
最大质
量/kg
最小连
续工作
时间/h
最短作
业寿命/
d
作业温
度范
围/ħ
耐受峰
值加速
度/g
阶段1具备穿透100m
地下空间的
通信能力
1120.210.0515*******~30
阶段2具备水下空
间30m距离
的通信能力
0.75~11022100.0530300311020~30
阶段31kHz频段实
现100m水下
或600m地下的
特低频通信
0.1~110025500.01603000101100~702
mide008
㊀㊀ULF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㊂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㊂
1.3.2㊀VLF频段(3~30kHz)信号传播技术
为满足陆上100km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㊂VLF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75~85km 的电离层之间㊂在地球-电离层波导内衰减小于6dB/1000km，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㊂由于大尺寸和高损耗，传统的发射机技术将不再合适㊂AMEBA 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100km的通信链路㊂
VLF频段信号传播技术(3~30kHz)的研究目标是研制系统功耗不超过20W的VLF射频发射机，具体技术指标要求见表3㊂
表3㊀VLF频段信号传播技术各阶段的预期性能
阶段能力最低工
作频
率/kHz
最高工
作频
率/kHz
磁场强
度/fT
稳态最大
输入功
率/W
达到稳态
运行时的
最大输入
能量/kJ
调制比
特率/
(b㊃s-1)
调制
能量/
(J㊃Hz-1)
最大线
性尺
寸/cm
最大体
积/cm3
最大质
量/kg
最短持续
工作时
间/h
作业温
度范
围/ħ
耐受峰
值加速
度/g
阶段1
在距离机械
天线发射机
1000m的距
离处实现1fT
5301(1km)200.5100.0515303120~30超薄继电器
阶段2
具备空气中
1000m距离上的
语音通信能力
5301(10km)2051000.03403003120~30
阶段310kHz频率实现
150km距离的
文本通信或
100km距离的
语音通信
1030100(10km)20205000.026030001010~702
㊃783㊃
第61卷孙雷，韩峰：便携式ULF/VLF机械通信天线技术的研究进展第3期
1.4㊀经费预算
AMEBA项目于2017年8月启动，研发经费预计2300万美元，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1350万美元，计划时长为45个月，分成三个阶段实施，研究难度逐渐增加㊂AMEBA项目的主要计划节点见表4㊂
表4㊀AMEBA项目的主要计划节点
研究
阶段焊接卡盘
周期时长/月关键节点
12017.09 2019.0318项目启动，初步设计评审，关键设计评审，阶段1评审，目前已完成评审
22019.04 2020.0615阶段2评审32020.07 2021.0612阶段3评审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㊁休斯研究实验室㊁罗克韦尔㊃柯林斯公司㊁Vesperix公司㊁加州大学洛杉矶分校㊁伊利诺伊大学，第二㊁三阶段的合同视情选择研究单位㊂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㊂
表5㊀研发经费投入
单位
研发经费投入/万美元第1
阶段
第2
阶段
第3
阶段
盛德提银机
总计
斯坦福国际咨询研究所183106123412
休斯研究实验室145118110374
罗克韦尔㊃柯林斯177********
Vesperix公司176149126451加州大学洛杉矶分校896660216
伊利诺伊大学1339982314
合计9036585662128
1.5㊀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)㊁总体设计(这些材料的形状和封装几何尺寸)㊁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
㊂
图5㊀AMEBA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AME-
BA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㊂发射机有供电和数据两个输入端口，由功率射频器件㊁匹配网络㊁机械驱动装置㊁电磁波发射材料㊁天线结构㊁温度控制器㊁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㊂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㊂系统可配置低温冷却系统㊂
因为在VLF/ULF频率范围内已经有了具有高灵敏度和杂波抑制性能的磁信号接收机，所以A-MEBA项目只关注便携式发射机的开发㊂在评估发射机性能时，接收机模型的假定为具有1fT/Hz噪声和杂波基底的接收器，如德国Metronix公司生产的MFS06磁棒就具有1fT@1kHz的最小可检测噪声能力㊂
2㊀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 Ac-celerator Center,SLAC)，其联合斯坦福国际咨询公司和古奇㊃休斯古公司(Gooch and Housego)研制
出10cm尺寸大小规模的小型发射器，如图6所示㊂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
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豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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