Limite de Chu - um limite não mais

23 de fevereiro de 2017

por Katherine Connor, Centro de Sistemas de Guerra Espacial e Naval, Relações Públicas do Pacífico, Centro de Sistemas de Guerra Espacial e Naval

O Limite de Chu, um princípio fundamental do eletromagnetismo, dita que a largura de banda em que uma antena pode funcionar tem um nível máximo proporcional ao tamanho físico da antena - quanto menor a antena, menor a largura de banda, mais lento e menos capaz o link de comunicação. O Limite de Chu tem sido uma lei fundamental da pesquisa de antenas e telecomunicações desde sua introdução no final da década de 1940, mas um cientista do Centro de Sistemas de Guerra Espacial e Naval do Pacífico (SSC Pacific) recentemente, pela primeira vez, excedeu o Limite de Chu em uma medida experimentar.

Justin Church, um engenheiro do grupo de eletromagnetismo aplicado do Centro, usou circuitos não Foster embutidos em uma antena eletricamente pequena para produzir a primeira instância medida experimentalmente de exceder o Limite. Vários artigos teorizaram ou simularam tal possibilidade, mas Church é o primeiro a demonstrar uma antena capaz de usar larguras de banda que excedem esse limite fundamental.

Ele conseguiu isso graças a dois novos avanços: circuitos não Foster e correspondência interna. Os circuitos não Foster são circuitos transistorizados ativos que efetivamente criam capacitores e indutores carregados negativamente, o que significa que a reatância é invertida em relação aos capacitores e indutores convencionais. O acoplamento dessa técnica com a correspondência interna - incorporando a antena e o circuito em uma estrutura - permitiu que a antena eletricamente pequena atingisse uma largura de banda mais ampla, sem sacrificar a eficiência. Uma antena eletricamente pequena é aquela em que a maior dimensão da estrutura é menor que um décimo de comprimento de onda. A maioria das antenas eletricamente pequenas tem menos de 1% de eficiência, mas a Church conseguiu atingir uma eficiência de 85%.

Church verificou experimentalmente uma largura de banda instantânea de 18 Megahertz de uma antena integrada não Foster compatível internamente que tinha um volume físico menor que um décimo do comprimento de onda operacional. Essa largura de banda medida excede o limite de Chu em 2,5 vezes.

Além da importância científica de alcançar essa impossibilidade anterior, esta é uma importante área de pesquisa para a Marinha e terá impactos de longo alcance no combatente.

"Muitas das bandas de comunicação que os militares estão interessados ​​em usar estão frequentemente em baixas frequências - frequência muito alta (VHF) e frequência ultra-alta (UHF). Aqui, os comprimentos de onda são bastante longos - mais de um metro ou mais - e em Nessas frequências, a onda percorre uma longa distância", explicou Church. “O desafio é que, para que uma antena opere com eficiência nessas frequências, ela deve ser fisicamente grande, geralmente em uma escala de vários metros”.

Este é um desafio para os encarregados de executar missões da Marinha, onde antenas menores e portáteis são muito mais eficazes e ocultas.

“Há um grande impulso, e sempre uma necessidade para os militares pesquisar quão pequenas você pode fazer antenas e fazê-las operar tão eficientemente quanto as grandes”, disse Church. "Antenas compactas permitem maiores capacidades operacionais."

O SSC Pacific é o laboratório de pesquisa e desenvolvimento naval encarregado de garantir a superioridade da Guerra de Informação.

Fornecido pelo Centro de Sistemas de Guerra Espacial e Naval