美陆军研究实验室设计新型微型天线实现复杂环境下机器人集群协作能力

在美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室和密歇根大学的合作中,研究人员开发了一种新型微型天线设计方法,一种具有增强带宽的新型微型低频天线将实现复杂环境下紧凑移动机器人之间的稳健联网。改善了在低频下运行的传统天线的局限性,展示了能保持性能的小型天线

美陆军研究实验室设计新型微型天线实现复杂环境下机器人集群协作能力
微型天线原型被集成在无人地面车辆上,带有软件定义的无线电和其他机器人传感器。
系统在UGV和第二个节点之间传输视频。

阻抗匹配是天线设计的关键方面,可确保无线电在发射模式下以最小的反射率通过天线发射功率-并且在天线处于接收模式下时,它会捕获功率以在所有频率上有效地耦合到无线电在操作带宽之内。

“传统的无源元件阻抗匹配技术–如电阻器、电感器和电容器–有一个基本限制,即所谓的Chu-Wheeler限制,陆军研究员Fikadu Dagefu博士说。”一般来说,低频天线的物理尺寸较大,或者它们的小型化天线的带宽和效率非常有限,从而导致对功率的更高要求。”

考虑到这些挑战,研究人员开发了一种新颖的方法,可以在不增加尺寸或改变天线拓扑结构的情况下提高带宽和效率。

“所提出的阻抗匹配方法将模块化有源电路应用于高度小型化、高效、轻量级的天线–克服了上述Chu-Wheeler性能极限,”陆军博士后研究员Jihun Choi博士说。”这种微型、有源匹配的天线能够将高功率、低频无线电系统集成到紧凑的移动代理上,如无人驾驶的地面和空中交通工具。”

研究人员表示,这种方法可以为陆军网络化创造新的机会。

集成具有小巧,重量轻,功率低的低频无线电系统(或SWAP)的能力为利用这种未被充分利用和未被开发的频带作为异构自主网络范式的一部分打开了大门。在这种范式中,配备互补通信模式的代理必须根据环境中的挑战调整方法,以完成特定任务。具体来说,低频由于具有更好的穿透力和减少多径效应,适合在复杂的传播环境和地形中进行可靠的通信。

“我们将开发的天线集成在小型无人地面车辆上,并展示了UGV之间可靠的实时数字视频流,这在以前没有用如此紧凑的低频无线电系统来实现,”Dagefu说。”通过利用这项技术,自主机器人可以协调和组建团队,实现独特的能力,如分布式按需波束成形,用于定向和安全的战场网络。”

研究人员表示,预计到2050年,世界上80%以上的人口将生活在密集的城市环境中,因此创新的陆军网络功能对于创造和维持转型性的超前竞争是必不可少的。缺乏固定的基础设施,再加上对对手的竞争优势需求日益增加,这对陆军网络提出了进一步的挑战,而陆军网络是多域作战的首要现代化任务。

虽然之前的实验研究表明,应用于小型非谐振天线(如短金属线)的有源匹配可以增强带宽,但与性能接近Chu-Wheeler的小型谐振天线相比,之前没有任何工作可以同时确保带宽和辐射效率的增强。

陆军主导的有源匹配设计方法解决了这些源于带宽、效率和稳定性之间权衡的关键挑战。研究人员建立了一个15厘米的原型机(工作波长的2%),并证明了新的设计与没有应用主动匹配的相同天线相比,实现了三倍以上的带宽提升,同时与相同尺寸的最先进的主动匹配天线相比,传输效率也提高了10倍。

“在设计中,一个高精度的模型捕捉到了高度小型化谐振天线的尖锐阻抗变化 “Choi说。”基于该模型,我们开发了一种有源匹配电路,在确保电路完全稳定的情况下,同时提高了带宽和效率。”

这项技术已经成熟,可以用于未来的发展,并过渡到我们军队内部的各个合作伙伴,随着陆军异构网络研究各方面的整合,这项技术将进一步发展,并将被整合到未来陆军通信系统中。

美国陆军研究人员开发了一种主动匹配技术,为地面机器人车辆配备了功能强大的微型天线。
美国陆军研究人员开发了一种主动匹配技术,为地面机器人车辆配备了功能强大的微型天线。

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