Il limite di Chu: non più un limite

23 febbraio 2017

di Katherine Connor, Centro per i sistemi di guerra spaziale e navale Pacifico, Centro per i sistemi di guerra spaziale e navale

Il limite di Chu, un principio fondamentale dell'elettromagnetismo, impone che la larghezza di banda in cui può funzionare un'antenna abbia un livello massimo proporzionale alla dimensione fisica dell'antenna: più piccola è l'antenna, minore è la larghezza di banda, più lento e meno capace è il collegamento di comunicazione. Il limite di Chu è stato una legge fondamentale per la ricerca sulle antenne e sulle telecomunicazioni sin dalla sua introduzione alla fine degli anni '40, ma uno scienziato dello Space and Naval Warfare Systems Center Pacific (SSC Pacific) ha recentemente, per la prima volta, superato il limite di Chu in modo misurato. sperimentare.

Justin Church, un ingegnere del gruppo di elettromagnetismo applicato del Centro, ha utilizzato circuiti non Foster incorporati in un'antenna elettricamente piccola per produrre il primo caso misurato sperimentalmente di superamento del limite. Diversi articoli hanno teorizzato o simulato tale possibilità, ma Church è il primo a dimostrare un'antenna in grado di utilizzare larghezze di banda che superano questo limite fondamentale.

È stato in grado di raggiungere questo obiettivo grazie a due nuovi progressi: circuiti non Foster e abbinamento interno. I circuiti non Foster sono circuiti attivi e transistorizzati che creano effettivamente condensatori e induttori caricati negativamente, il che significa che la reattanza è invertita rispetto a quella dei condensatori e induttori convenzionali. L'abbinamento di questa tecnica con l'adattamento interno, ovvero incorporando l'antenna e il circuito in un'unica struttura, ha consentito all'antenna elettricamente piccola di ottenere una larghezza di banda più ampia, senza sacrificare l'efficienza. Un'antenna elettricamente piccola è quella in cui la dimensione maggiore della struttura è inferiore a un decimo di lunghezza d'onda. La maggior parte delle antenne elettricamente piccole hanno un'efficienza inferiore all'1%, ma Church è riuscita a raggiungere un'efficienza dell'85%.

Church ha verificato sperimentalmente una larghezza di banda istantanea di 18 Megahertz da un'antenna integrata non Foster abbinata internamente che aveva un volume fisico inferiore a un decimo della lunghezza d'onda operativa. Questa larghezza di banda misurata supera il limite Chu di 2,5 volte.

A parte l’importanza scientifica di raggiungere questa precedente impossibilità, questa è un’importante area di ricerca per la Marina e avrà impatti di vasta portata sul combattente.

"Molte delle bande di comunicazione che i militari sono interessati a utilizzare sono spesso a basse frequenze: frequenza molto alta (VHF) e frequenza ultra alta (UHF). Qui, le lunghezze d'onda sono piuttosto lunghe - oltre un metro o più - e a Con queste frequenze l'onda percorre una lunga distanza", ha spiegato Church. "La sfida è che, affinché un'antenna possa funzionare in modo efficiente a quelle frequenze, deve essere fisicamente grande, spesso su una scala di diversi metri."

Questa è una sfida per coloro che hanno il compito di eseguire missioni della Marina, dove le antenne più piccole e portatili sono molto più efficaci e nascoste.

"C'è una grande spinta, e c'è sempre bisogno che i militari studino quanto piccole si possono realizzare antenne e farle funzionare con la stessa efficienza di quelle grandi", ha detto Church. "Le antenne compatte consentono maggiori capacità operative."

SSC Pacific è il laboratorio di ricerca e sviluppo navale incaricato di garantire la superiorità nella guerra dell'informazione.

Fornito da Space and Naval Warfare Systems Center