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DARPA微系统技术办公室的“机械天线”（AMEBA）项目启动于2016年12月，旨在研发小型特低频（ULF）和甚低频（VLF）信号发射机，通过特殊材料的机械移动产生强电场或磁场，实现军用（水下、地下等）远程通信。

一、研究背景

在无线电领域，短波信号衰减快，不适于远距离传输，也无法在水中传播，且极易被岩层阻挡；甚低频无线电波的波长较长，可穿过数百英尺地面和水面，在空气中的传播距离达到数千英里。但是，传统甚低频天线尺寸与波长相当，发射机需要数英里长的巨型天线阵，且通信带宽较低、数据传输容量有限，无法用于机动平台。

二、研究目标及内容

“机械天线”项目旨在利用特低频和甚低频无线电波实现军用远程通信。项目将研发新型甚低频和超低频信号发射机，该发射机足够小、轻，高功率，可由个人携带，在水中、陆地、地下等场合应用。该发射机不是依靠电子电路和功放产生振荡电流，进而传递到天线产生无线电信号，而是通过特殊材料的机械移动产生很强的电场或磁场。

三、关键技术

项目重点关注两个技术领域，包括<3kHz的特低频信号穿透技术、3~30kHz的甚低频信号传播技术。

表1 两种频段各阶段预期性能指标（特低频/甚低频）

四、研究团队

根据DARPA授出的合同，项目研究团队包括VESPERIX公司、斯坦福国际咨询研究所（SRI）、罗克韦尔科林斯公司、加州大学洛杉矶分校、约翰霍普金斯大学应用物理实验室、伊利诺伊大学香槟分校、休斯研究实验室。

五、技术路线

根据科技文献发表情况，可以看到“机械天线”项目共采取了4条技术路线。

1、铌酸锂压电晶体甚低频天线

美国SLAC国家加速器实验室、斯坦福国际咨询研究所等验证了铌酸锂压电晶体制成的甚低频微型机械发射天线，发射效率达到当前相同尺寸紧凑型甚高频天线的300倍。

甚低频微型机械发射天线采用了全新的电磁波发射机理，利用带有强电场或磁场的特殊材料振荡形变产生电磁波：以直径1.6cm、高9.4cm的柱状铌酸锂压电晶体作发射天线；直接向天线两端施加振荡电压，天线在压电效应作用下发生轴向周期性收缩/膨胀，产生振荡电流，向外辐射甚低频电磁波。试验使用的天线样件发射频率约34.97kHz，在30m外的接收点上测得数据传输速率超过100B/s。

图1 美国SLAC国家加速器实验室联合SRI研究所等单位研制的甚低频紧凑型天线

2、磁摆阵列特低频天线

加州大学洛杉矶分校、AxEnd公司等研究人员研发出磁摆阵列组成的机械天线，这些阵列在特低频附近振荡运动，从而在摆平面外产生动态磁场，用于近场通信。

机械天线共有28个摆锤，通过不锈钢轴承悬挂在塑料外壳中。每个摆锤为长40mm、半径4mm的径向磁化圆柱形N55 NdFeB磁体，两端由铝制轴承紧定套支撑。磁体周围缠绕55匝AWG 26铜线圈，以提供垂直于摆平面的励磁场。在足够的激励时间下，磁体会偏离最低能量状态，产生振荡运动。研究表明，磁摆阵列天线可在2bps调制下达到1031Hz的频率，效率较裸线圈高7dB。

与使用旋转磁铁的机械天线相比，磁摆阵列天线的主要优势包括：磁摆中的储能量和机械运动能够以固定频率逐渐增加；磁摆可构成阵列，总有效磁偶极矩可保持不变；磁摆中能量包括摆动能和磁场势能，可通过控制摆的运动和直接天线调制法控制天线发射参数；无需电动机驱动，仅需克服轴承摩擦力。研究人员认为，这种磁摆阵列天线有望实现较大的品质因数，提高近场特低频通信效率。

图2 磁摆阵列组成的机械天线

3、串联压电-磁弹性材料的多铁性特低频天线

美国加州大学洛杉矶分校、弗吉尼亚理工学院的研究人员将FeGa磁致伸缩棒与压电致动器相串联，研制出多铁性天线，并进行了试验验证。

此前的研究表明，可使用多层压电材料和磁致伸缩材料组成多铁性复合材料天线，通过电压驱动的压电应变控制磁致伸缩材料的自旋态，从而在天线周围的自由空间产生振荡磁场。这种天线无需笨重的电容和电感进行调谐，同时可避免欧姆损耗。研究人员将直径4mm、长80mm的Fe80.77Ga19.23（FeGa）棒与两个长50mm、厚75μm的PZT压电致动器相串联，研制出多铁性天线。其中，FeGa棒和压电致动器的一端分别固定在聚醚酰亚胺壳体两端，二者之间垫有钛垫片，可使振动载荷均匀分布。天线置于螺线管内，延伸超过FeGa棒末端25mm。实验表明，在0.27MV/m电场强度下，体积为5cm3的天线就能在1km距离外产生1fT的磁感应强度，相当于5.17Am的磁矩变化。

4、压电交替偶极天线

伊利诺伊大学香槟分校的研究人员针对压电/电容驱动的单极电荷线性运动、压电驱动的固定偶极电荷旋转运动、应变驱动压电体内的偶极子翻转运动4种原理的机械天线，对机械天线效率、优缺点进行了比较分析。研究认为，压电交替偶极天线（利用应变驱动压电体内的偶极子翻转运动）效率是电小天线的106倍，是目前最有前景的机械天线。

（蓝海星：马晓晨 张旭）