Учёные из Новгородского государственного университета совместно с коллегами из ведущих китайских научных центров разработали опытный образец компактной магнитоэлектрической антенны для связи в диапазоне очень низких частот (ОНЧ). Разработка решает ключевую проблему подводной беспроводной связи, где традиционные радиоволны быстро затухают, а звуковые каналы обладают большой задержкой и подвержены помехам.

Электромагнитные волны ОНЧ (от 3 до 30 кГц) способны проникать в морскую воду на значительную глубину. Однако классические антенны для этого диапазона, согласно пределу Чу — Харрингтона, должны иметь размеры, сопоставимые с длиной волны, которая составляет десятки километров. Это делает такие системы гигантскими и непортативными.

Новая антенна использует принцип обратного магнитоэлектрического эффекта и обходит это ограничение. Она состоит из композитного материала, в котором пьезоэлектрический слой, деформируясь под действием электрического напряжения, заставляет колебаться приклеенный к нему магнитострикционный слой. Эти колебания создают переменное магнитное поле, которое и является излучением. В такой конструкции размер антенны определяется не длиной электромагнитной волны, а длиной акустической волны в твёрдом материале, что позволяет радикально уменьшить габариты.

Для достижения высокой эффективности исследователи создали новую пьезокерамику на основе цирконата-титаната свинца, модифицированную добавками индия, ниобия, марганца и сурьмы. Материал показал сбалансированные характеристики: пьезоэлектрический коэффициент 401 пКл/Н (сила деформации) и механическую добротность 1510 (низкие потери энергии).

Испытания показали, что антенна длиной 14 сантиметров генерирует магнитное поле почти в два раза сильнее, чем образец на основе коммерческой керамики PZT-8. Обратный магнитоэлектрический коэффициент составил 1,78 Гаусс·см/В. Сигнал от такого передатчика уверенно фиксируется на расстоянии нескольких метров, а расчётная дальность передачи данных достигает 100 метров. Дальнейшее сильное уменьшение размеров антенны приведёт к выходу рабочей частоты за пределы нужного диапазона и снижению мощности излучения.

Для демонстрации работоспособности системы был собран опытный образец мини-радиостанции, успешно передавший и принявший как цифровые, так и аналоговые сообщения.

Разработка открывает перспективы для создания портативных систем связи для подводных аппаратов, аквалангистов и подводной робототехники, где ранее использование компактных и эффективных антенн ОНЧ было невозможно. Дальность связи может быть увеличена за счёт оптимизации геометрии антенны, применения материалов с улучшенными свойствами или объединения нескольких антенн в массив.