Chu's Limit – kein Limit mehr

23. Februar 2017

von Katherine Connor, Space And Naval Warfare Systems Center Pacific Public Affairs, Space and Naval Warfare Systems Center

Das Chu-Limit, ein grundlegendes Prinzip der Elektromagnetik, besagt, dass die Bandbreite, in der eine Antenne funktionieren kann, einen maximalen Wert hat, der proportional zur physischen Größe der Antenne ist – je kleiner die Antenne, desto kleiner die Bandbreite, desto langsamer und weniger leistungsfähig ist die Kommunikationsverbindung. Chus Limit ist seit seiner Einführung in den späten 1940er Jahren ein Grundgesetz der Antennen- und Telekommunikationsforschung, doch ein Wissenschaftler am Space and Naval Warfare Systems Center Pacific (SSC Pacific) hat kürzlich zum ersten Mal Chus Limit gemessen überschritten Experiment.

Justin Church, ein Ingenieur in der Gruppe für angewandte Elektromagnetik des Zentrums, verwendete Nicht-Foster-Schaltkreise, die in eine elektrische kleine Antenne eingebettet waren, um den ersten experimentell gemessenen Fall einer Überschreitung des Grenzwerts zu erzeugen. Mehrere Veröffentlichungen haben eine solche Möglichkeit theoretisiert oder simuliert, aber Church ist der erste, der eine Antenne demonstriert, die in der Lage ist, Bandbreiten zu nutzen, die diese grundlegende Grenze überschreiten.

Dies gelang ihm dank zweier neuartiger Fortschritte: Nicht-Foster-Schaltkreisen und interner Anpassung. Nicht-Foster-Schaltkreise sind aktive Transistorschaltkreise, die effektiv negativ geladene Kondensatoren und Induktivitäten erzeugen, was bedeutet, dass die Reaktanz zu der von herkömmlichen Kondensatoren und Induktivitäten umgekehrt ist. Durch die Kopplung dieser Technik mit interner Anpassung – der Einbettung von Antenne und Schaltkreis in eine Struktur – konnte die elektrisch kleine Antenne eine größere Bandbreite erreichen, ohne dabei an Effizienz einzubüßen. Eine elektrisch kleine Antenne ist eine Antenne, bei der die größte Abmessung der Struktur weniger als ein Zehntel einer Wellenlänge beträgt. Die meisten elektrisch kleinen Antennen haben einen Wirkungsgrad von weniger als 1 Prozent, Church konnte jedoch einen Wirkungsgrad von 85 Prozent erreichen.

Church verifizierte experimentell eine momentane Bandbreite von 18 Megahertz von einer intern angepassten, nicht von Foster stammenden integrierten Antenne, deren physikalisches Volumen weniger als ein Zehntel der Betriebswellenlänge hatte. Diese gemessene Bandbreite übersteigt die Chu-Grenze um das 2,5-fache.

Abgesehen von der wissenschaftlichen Bedeutung, dieses bisher unmögliche Ziel zu erreichen, ist dies ein wichtiger Forschungsbereich für die Marine und wird weitreichende Auswirkungen auf den Kampfjet haben.

„Viele der Kommunikationsbänder, an deren Nutzung das Militär interessiert ist, liegen oft bei niedrigen Frequenzen – sehr hoher Frequenz (VHF) und ultrahoher Frequenz (UHF). Hier sind die Wellenlängen ziemlich lang – über einen Meter oder mehr – und bei Bei diesen Frequenzen legt die Welle eine weite Strecke zurück“, erklärte Church. „Die Herausforderung besteht darin, dass eine Antenne, damit sie bei diesen Frequenzen effizient arbeiten kann, physisch groß sein muss, oft im Maßstab von mehreren Metern.“

Dies ist eine Herausforderung für diejenigen, die mit der Durchführung von Marinemissionen betraut sind, bei denen kleinere, tragbare Antennen viel effektiver und verdeckter sind.

„Es gibt einen großen Vorstoß und es besteht immer die Notwendigkeit, dass das Militär erforscht, wie man kleine Antennen herstellen und dafür sorgen kann, dass sie genauso effizient arbeiten wie große“, sagte Church. „Kompakte Antennen ermöglichen größere Einsatzmöglichkeiten.“

SSC Pacific ist das Forschungs- und Entwicklungslabor der Marine, dessen Aufgabe es ist, die Überlegenheit der Informationskriegsführung sicherzustellen.

Bereitgestellt vom Space and Naval Warfare Systems Center