El límite de Chu, ya no es un límite

23 de febrero de 2017

por Katherine Connor, Centro de Sistemas de Guerra Naval y Espacial Asuntos Públicos del Pacífico, Centro de Sistemas de Guerra Naval y Espacial

El límite de Chu, un principio fundamental del electromagnetismo, dicta que el ancho de banda en el que puede funcionar una antena tiene un nivel máximo proporcional al tamaño físico de la antena: cuanto más pequeña es la antena, menor es el ancho de banda, más lento y menos capaz es el enlace de comunicaciones. El Límite de Chu ha sido una ley fundamental de la investigación de antenas y telecomunicaciones desde su introducción a fines de la década de 1940, pero un científico del Centro de Sistemas de Guerra Espacial y Naval del Pacífico (SSC Pacific) recientemente, por primera vez, superó el Límite de Chu en una medida. experimento.

Justin Church, un ingeniero del grupo de electromagnetismo aplicado del Centro, usó circuitos que no eran de Foster integrados en una antena eléctricamente pequeña para producir el primer caso medido experimentalmente de superación del límite. Varios artículos han teorizado o simulado tal posibilidad, pero Church es el primero en demostrar una antena capaz de usar anchos de banda que exceden este límite fundamental.

Pudo lograrlo gracias a dos avances novedosos: los circuitos no Foster y la adaptación interna. Los circuitos que no son de Foster son circuitos transistorizados activos que crean efectivamente capacitores e inductores que tienen carga negativa, lo que significa que la reactancia se invierte a la de los capacitores e inductores convencionales. Combinar esta técnica con la adaptación interna (incrustar la antena y el circuito en una estructura) permitió que la antena eléctricamente pequeña lograra un ancho de banda más amplio, sin sacrificar la eficiencia. Una antena eléctricamente pequeña es aquella en la que la dimensión más grande de la estructura es inferior a una décima parte de una longitud de onda. La mayoría de las antenas eléctricamente pequeñas tienen menos del 1 por ciento de eficiencia, pero Church pudo lograr una eficiencia del 85 por ciento.

Church verificó experimentalmente un ancho de banda instantáneo de 18 megahercios de una antena integrada no compatible internamente que tenía un volumen físico inferior a una décima parte de la longitud de onda operativa. Este ancho de banda medido supera el límite de Chu en 2,5 veces.

Además de la importancia científica de lograr esta imposibilidad previa, esta es un área importante de investigación para la Marina y tendrá un impacto de gran alcance en el combatiente.

"Muchas de las bandas de comunicación que los militares están interesados ​​en usar suelen ser de baja frecuencia, muy alta frecuencia (VHF) y ultra alta frecuencia (UHF). Aquí, las longitudes de onda son bastante largas, más de un metro o más, y en estas frecuencias, la onda viaja una gran distancia", explicó Church. "El desafío es que, para que una antena funcione de manera eficiente en esas frecuencias, tiene que ser físicamente grande, a menudo en una escala de varios metros".

Este es un desafío para aquellos encargados de ejecutar misiones de la Marina, donde las antenas portátiles más pequeñas son mucho más efectivas y encubiertas.

"Hay un gran impulso, y siempre es necesario que los militares investiguen qué tan pequeñas pueden ser las antenas y hacer que operen tan eficientemente como las grandes", dijo Church. "Las antenas que son compactas permiten mayores capacidades operativas".

SSC Pacific es el laboratorio de investigación y desarrollo naval encargado de garantizar la superioridad de la guerra de información.

Proporcionado por el Centro de Sistemas de Guerra Espacial y Naval