추의 한계—더 이상 한계는 없습니다

2017년 2월 23일

작성자: Katherine Connor, 우주 및 해군 전쟁 시스템 센터 태평양 공보, 우주 및 해군 전쟁 시스템 센터

전자기학의 기본 원리인 추의 한계(Chu's Limit)는 안테나가 작동할 수 있는 대역폭이 안테나의 물리적 크기에 비례하는 최대 수준을 갖는다는 것을 나타냅니다. 즉, 안테나가 작을수록 대역폭도 작아지고 통신 링크의 속도도 느려지고 성능도 떨어집니다. 추의 한계는 1940년대 후반에 도입된 이후 안테나 및 통신 연구의 기본 법칙이었지만, 최근 우주 및 해군 전쟁 시스템 센터 태평양(SSC Pacific)의 과학자가 측정된 측정에서 처음으로 추의 한계를 초과했습니다. 실험.

센터 응용 전자기학 그룹의 엔지니어인 Justin Church는 전기적으로 작은 안테나에 내장된 비포스터(non-Foster) 회로를 사용하여 한계를 초과하는 실험적으로 측정된 최초의 사례를 생성했습니다. 여러 논문에서 그러한 가능성을 이론화하거나 시뮬레이션했지만 Church는 이 근본적인 한계를 초과하는 대역폭을 사용할 수 있는 안테나를 최초로 시연했습니다.

그는 비포스터(non-Foster) 회로와 내부 매칭이라는 두 가지 새로운 발전 덕분에 이를 달성할 수 있었습니다. 비포스터(Non-Foster) 회로는 음으로 충전된 커패시터와 인덕터를 효과적으로 생성하는 능동형 트랜지스터 회로입니다. 즉, 리액턴스가 기존 커패시터 및 인덕터의 리액턴스와 반전됩니다. 이 기술을 내부 정합(안테나와 회로를 하나의 구조에 내장)과 결합하면 전기적으로 작은 안테나가 효율성을 저하시키지 않으면서 더 넓은 대역폭을 달성할 수 있습니다. 전기적으로 작은 안테나는 구조의 가장 큰 치수가 파장의 1/10 미만인 안테나입니다. 대부분의 전기적으로 작은 안테나의 효율성은 1% 미만이지만 Church는 85%의 효율성을 달성할 수 있었습니다.

Church는 작동 파장의 1/10 미만의 물리적 부피를 갖는 내부 정합 비포스터 통합 안테나에서 18MHz의 순간 대역폭을 실험적으로 검증했습니다. 측정된 대역폭은 Chu 제한을 2.5배 초과합니다.

이전에는 불가능했던 것을 달성하는 과학적 중요성 외에도 이는 해군의 중요한 연구 분야이며 전투원에게 광범위한 영향을 미칠 것입니다.

"군이 사용하는 데 관심이 있는 통신 대역 중 상당수는 초고주파(VHF) 및 초고주파(UHF)와 같은 저주파에 있는 경우가 많습니다. 여기서 파장은 1미터 이상으로 꽤 길며, 이 주파수는 파동이 먼 거리를 이동한다고 Church는 설명했습니다. "문제는 안테나가 해당 주파수에서 효율적으로 작동하려면 물리적으로 커야 하며 종종 수 미터 규모에 달해야 한다는 것입니다."

이는 더 작은 휴대용 안테나가 훨씬 더 효과적이고 은밀한 해군 임무를 수행하는 사람들에게는 어려운 일입니다.

Church는 "큰 추진력이 있으며, 군대에서는 안테나를 얼마나 작게 만들고 이를 대형 안테나만큼 효율적으로 작동시킬 수 있는지 연구할 필요가 항상 있습니다."라고 말했습니다. "콤팩트한 안테나는 더 큰 작동 능력을 허용합니다."

SSC Pacific은 정보전의 우수성을 보장하는 임무를 맡은 해군 연구 개발 연구소입니다.

우주해전체계센터 제공