Чистота сигнала: миниатюрные антенны помогут создать подводную мобильную связь

Российские и китайские специалисты нашли способ организации связи под водой с помощью миниатюрных устройств. Создан прототип антенны длиной около 15 см из особого композитного материала, распространяющей на расстояние до 100 м волны очень низкой частоты. Разработка открывает путь к созданию портативных мобильных систем связи для подводных аппаратов, роботов и аквалангистов, полагают эксперты.

Как волны очень низкой частоты пробивают толщи воды

Ученые Политехнического института Новгородского государственного университета совместно с коллегами из ряда китайских научно-исследовательских организаций создали миниатюрную антенну для подводной связи. При длине около 15 см она способна передавать сигнал под водой на расстояние до 100 м, что ранее было невозможно для столь компактных устройств. Об изобретении «Известиям» рассказали в Минобрнауки РФ.

Как пояснили исследователи, разработка обещает прорыв в технологиях для применения на морских глубинах. В частности, портативные антенны такого типа можно будет использовать для связи между аквалангистами, управления роботами и автономными устройствами.

— Инновация основана на композитной структуре. Она состоит из пьезоэлектрика и магнитострикционного материала. Первый из них при подаче на него переменного электрического напряжения сжимается и разжимается, создавая вибрации. Второй, приклеенный к первому, также деформируется. В результате меняются его магнитные свойства. Это создает переменное магнитное поле, которое в окружающем пространстве генерирует очень низкочастотное излучение, — рассказал «Известиям» ведущий научный сотрудник кафедры проектирования и технологии радиоаппаратуры Политехнического института НовГУ Олег Соколов.

По его словам, привычная связь под водой практически недоступна: радиоволны в морской воде быстро затухают. Звуковые волны, которыми, например, пользуются дельфины и киты, решают эту проблему, однако этот способ чувствителен к помехам, подвержен многолучевому распространению (эхо) и отличается большой задержкой сигнала. Одно из решений — излучение очень низкой частоты (ОНЧ). Такие электромагнитные волны способны проникать в воду на значительную глубину. Однако в этом диапазоне их длина составляет десятки километров. Это означает, что для генерации излучения нужны гигантские антенны. Классический пример — передатчик The VLF Transmitter Cutler в США. Он обеспечивает связь с подлодками в любой точке мира. При этом комплекс занимает территорию более 8 кв. км и состоит из 12 мачт, главная из которых выше Эйфелевой башни. Такие системы не мобильны и крайне дороги.

Чтобы обойти ограничение, разрабатывают антенны, где ОНЧ-излучение создают вращающиеся магниты, добавил Олег Соколов. Но в таких системах сложно контролировать скорость вращения, а также они медленно передают данные.

Дальнее воздействие: разработана новая система защиты регионов от БПЛА

В нее интегрированы средства обнаружения, сопровождения и противодействия беспилотникам

Как создать миниатюрные подводные антенны

— Более перспективны антенны, которые используют тот же принцип, что и наша разработка. В большинстве композитов улучшение параметров одного компонента ведет к ухудшению свойств другого. Это противоречие устранили, добавив в состав классической пьезокерамики модифицирующие добавки. Они включают индий, ниобий, марганец и сурьму, — объяснил Олег Соколов.

При испытании образца длиной около 15 см специалисты зафиксировали создаваемое им магнитное поле на расстоянии нескольких метров. При этом сигнал передачи данных в водной среде распространился на 100 м, рассказал он.

Чтобы показать работоспособность системы, ученые собрали опытную мини-радиостанцию и передали по ней цифровые данные и аналоговый сигнал (аудиозапись). Оба типа сообщений были успешно приняты и распознаны.

По мнению Олега Соколова, в будущем дальность связи под водой можно будет повысить за счет новых материалов, а также увеличивая антенны и объединяя их в массивы. Еще один путь — создание специальной геометрии передатчиков.

— Подводная техника интенсивно развивается во всем мире. Но почти единственный доступный способ связи между устройствами — это гидроакустика, передача сигнала звуковыми волнами. Однако этот вид связи энергетически затратен и зависит от множества факторов, которые сложно контролировать, — объяснил «Известиям» научный сотрудник лаборатории акустики океана Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН Олег Кочетов.

Компактные магнитоэлектрические модемы могут открыть новые возможности для подводных автоматов и роботов, отметил эксперт.

— Над уменьшением размеров и увеличением мощности подводных антенн в мире работают тысячи ученых. Но эта задача ограничена правилом — эффективность антенны связана с длиной волны. Поэтому сделать маленькое устройство для передачи данных на большие расстояния до сих пор не получалось, — прокомментировал профессор департамента радиоэлектроники и связи Уральского федерального университета Иван Малыгин.

По его словам, если предположить развитие подводного туризма, гостиниц и ресторанов, то тогда разработка имеет смысл и может быть востребована.

— Аналогичные разработки идут в Красноярском научном центре для организации связи в шахтах. Представленная работа — шаг вперед в развитии компактных средств подводной связи, потому что исследователям удалось создать новый материал, который позволил уменьшить габариты излучателя и увеличить уровень излучаемого магнитного поля, — поделилась старший преподаватель кафедры радиотехники Сибирского федерального университета Елена Стригова.

Тем не менее система работает в узкой полосе частот, а значит, не сможет передавать большой объем данных. По ее словам, такое решение может найти применение в создании компактных систем для малых глубин. Например, для передачи коротких сообщений и телеметрии. Кроме того, в исследовании не хватает данных о работе системы в реальных условиях. Поэтому сложно говорить о ее эффективности в различных типах морских и пресных водоемов, особенно на больших глубинах. Впрочем, ученые осознают эти ограничения и наметили пути совершенствования разработки.

— Предложенный метод — лишь один из способов генерации магнитного поля под водой. При этом главная проблема — высокая проводимость соленой воды. Если в пресной среде она составляет порядка 0.01 См/м (сименс на метр — единица измерения электропроводности), то в соленой может достигать 4 См/м и выше. Из-за этого дальность связи падает. В наших экспериментах при мощности потребления 20–30 Вт удавалось достичь дальности передачи данных всего около 7 м, — пояснил заведующий лабораторией № 31 «Гидроакустических систем связи и навигации» Института проблем морских технологий им. академика М.Д. Агеева ДВО РАН Александр Родионов.

Эксперт подчеркнул, что идея комбинации пьезокерамики и магнитострикционного материала интересна, но разработки нужно подтверждать реальными морскими испытаниями.