Chu's Limit — もはや限界ではない

2017 年 2 月 23 日

キャサリン・コナー著、宇宙・海戦システムセンター太平洋広報、宇宙・海戦システムセンター

電磁気学の基本原理であるチューの限界では、アンテナが機能できる帯域幅の最大レベルはアンテナの物理的なサイズに比例することが規定されています。アンテナが小さいほど、帯域幅は小さくなり、通信リンクは遅くなり、能力も低下します。 チューの限界は 1940 年代後半に導入されて以来、アンテナと電気通信の研究の基本法則となってきましたが、パシフィック宇宙海軍戦争システム センター (SSC パシフィック) の科学者は最近、測定された測定値でチューの限界を初めて超えました。実験。

同センターの応用電磁気学グループのエンジニアであるジャスティン・チャーチは、電気的に小型のアンテナに埋め込まれた非フォスター回路を使用して、限界を超える最初の実験測定例を生み出しました。 いくつかの論文がそのような可能性を理論化またはシミュレーションしていますが、この基本的な制限を超える帯域幅を使用できるアンテナを実証したのはチャーチが初めてです。

彼は、非フォスター回路と内部マッチングという 2 つの新しい進歩のおかげでこれを達成することができました。 非フォスター回路は、負に帯電したコンデンサとインダクタを効果的に生成するアクティブなトランジスタ化回路であり、リアクタンスが従来のコンデンサやインダクタのリアクタンスと逆になることを意味します。 この技術を内部整合（アンテナと回路を 1 つの構造に埋め込む）と組み合わせることで、効率を犠牲にすることなく、電気的に小型のアンテナがより広い帯域幅を達成できるようになりました。 電気的に小さいアンテナとは、構造の最大寸法が波長の 10 分の 1 未満であるアンテナのことです。 ほとんどの電気的に小型のアンテナの効率は 1% 未満ですが、チャーチは 85% の効率を達成することができました。

チャーチは、動作波長の 10 分の 1 未満の物理体積を備えた内部整合型の非フォスター集積アンテナからの瞬間帯域幅が 18 メガヘルツであることを実験的に検証しました。 この測定された帯域幅は Chu 制限を 2.5 倍超えています。

これまで不可能であったことを達成する科学的重要性は別として、これは海軍にとって重要な研究分野であり、戦闘機に広範囲に影響を与えるでしょう。

「軍が使用に関心を持っている通信帯域の多くは、超短波 (VHF) や超短波 (UHF) などの低周波であることが多い。ここでは、波長は非常に長く、1 メートル以上、そしてこれらの周波数では波は長距離まで伝わります」とチャーチ氏は説明した。 「課題は、アンテナがこれらの周波数で効率的に動作するには、物理​​的に大きくなければならず、多くの場合数メートル規模に達する必要があることです。」

これは海軍の任務を遂行する任務を負った者にとっての課題であり、小型のポータブルアンテナがより効果的かつ秘密裏に行われるためです。

「大きな推進力があり、軍はアンテナをいかに小型にして、大型アンテナと同じように効率的に動作させることができるかを研究することが常に必要だ」とチャーチ氏は語った。 「アンテナがコンパクトなため、運用能力が向上します。」

SSC Pacific は、情報戦での優位性を確保する任務を負った海軍研究開発研究所です。

宇宙・海戦システムセンター提供