Когда большинство людей представляют антенну, они видят тонкий металлический стержень — выдвижной прут на портативном FM-приёмнике или высокие вышки радио- и телевещания. На деле антенны бывают самых разных форм и размеров: от круглых параболических тарелок до проводящих рисунков на печатных платах. Но какую бы форму они ни принимали, обычно это твёрдые конструкции. Работа, которая порадовала бы любого поклонника «Звёздных войн»: учёные создали антенну из плазменного луча.
Генерируемая лазером плазменная антенна Университета штата Северная Каролина. Источник изображения — newatlas.com
Исследователи из Университета штата Северная Каролина (NC State) продемонстрировали лазерную плазменную антенну, способную передавать радиоволны на частоте 30 МГц. Эта демонстрация концепции позволяет надеяться, что инженеры смогут создавать антенны разной длины и ориентации, просто регулируя лазер, без громоздких механических систем развёртывания.
«Плазменная антенна выглядит как световой меч и настраивается, а значит, мы должны быть в состоянии передавать сигнал в широком диапазоне частот», — говорит Прия Даршни (Prya Darshni), аспирантка NC State и автор-корреспондент исследования. Она добавила, что команда пока показала лишь передачу, но считает, что антенна должна уметь и принимать радиосигналы.
Зачем нужны плазменные антенны
Зачем вообще создавать такие антенны? У обычных антенн есть ограничение: их физические размеры, особенно длина, определяют, на каких радиочастотах они работают эффективно. Антенна, рассчитанная на одну частоту, может плохо работать на другой, значительно отличающейся. Конечно, у нас уже есть технологии, которые решают эту проблему.
Например, программно определяемые радиосистемы (SDR) могут переключаться между частотами без замены оборудования. Но сама антенна всё равно должна эффективно работать на этих частотах. Широкополосные, многодиапазонные и электронно настраиваемые антенны позволяют работать на нескольких частотах, однако у каждой свои компромиссы в конструкции.
Задача становится ещё острее в космических проектах, где спутникам могут требоваться довольно длинные антенны, которые складывают на время запуска и разворачивают на орбите. Изменение их физических размеров или ориентации может потребовать дополнительных механических систем, а они добавляют вес и сложность. А теперь представьте, что металлическую антенну заменил созданный лазером столб проводящего газа. Нужна другая длина антенны? Отрегулируйте лазер. Нужно изменить ориентацию? Направьте лазер в другую сторону. Именно эти возможности исследуют учёные.
Как устроена антенна
Для создания устройства команда использовала лазер с тщательно контролируемой мощностью и диаметром луча, чтобы ионизировать узкий столб воздуха. Сконцентрированная энергия лазера вырывает электроны из молекул газа и образует тонкий стержень плазмы — плазменную нить (филамент), содержащую свободные электроны и положительно заряженные ионы. Поскольку эти заряженные частицы реагируют на электромагнитные поля, нить может вести себя во многом как обычная металлическая антенна.
Проще говоря, лазер создаёт антенну, а образуемая им плазма служит проводящей структурой, которая передаёт радиоволны. Сам лазерный луч радиосигнал не несёт.
Плазменные антенны не совсем новы: ранее исследователи демонстрировали антенны из ионизированных газов, в том числе лазерные плазменные столбы, для которых требовались дополнительные высоковольтные разряды. Команда NC State показала другой подход: лазерный филамент и бесконтактный механизм подачи в него радиочастотных сигналов — это вторая новинка.
Плазменная антенна есть, но как подключить её к остальному радиооборудованию? Обычные антенны соединяют с передатчиками через проводящие металлические линии питания. Однако присоединить металлический провод напрямую к хрупкой плазменной нити означало бы исказить её структуру. Исследователи решили проблему, разработав бесконтактное питание антенны в виде проводящего металлического кольца, которое работает как конденсатор.
Лазер проходит через кольцо и создаёт плазменную нить, проходящую через его центр. Затем радиочастотный генератор подаёт на кольцо электрический сигнал, создающий переменное электрическое поле, которое взаимодействует с плазмой, не касаясь её. Под действием этого поля заряженные частицы плазмы отзываются на радиочастотный сигнал, и нить излучает электромагнитные волны.
Результаты испытаний
Чтобы проверить установку, исследователи подали на кольцо сигнал частотой 30 МГц и поместили приёмную антенну примерно в 5 см (2 дюймах) от него. Сначала они измерили принятый сигнал при заблокированном лазере, когда ёмкостная подача работала без плазменной антенны. Затем повторили измерение, когда лазер создавал плазменную нить, не меняя радиочастотный вход.
Когда плазменная нить была на месте, уровень принятого сигнала вырос в 2,5 раза, то есть на 150% по сравнению с установкой без неё. Обе антенны располагались с одинаковой линейной поляризацией, а измерения проводились в ближней зоне. Результаты стали экспериментальным подтверждением того, что лазерная плазменная нить работает как передающая антенна.
Возможности применения технологии шире обычной радиосвязи. В спутниках и космических аппаратах инженеры теоретически смогли бы создавать антенны разной длины, не перевозя и не разворачивая равноценные металлические конструкции. Изменение направления лазера могло бы менять и ориентацию плазменной антенны, потенциально давая больше гибкости радиолокационным системам и направленной связи.
«Управляя параметрами лазера, можно управлять характеристиками плазменной нити, включая её длину, — говорит Даршни. — Это ценно там, где нужна антенна, способная охватывать все частоты. Есть и применения, где важно контролировать угол антенны, чтобы нацеливать радиолокационный обзор или усиливать сигнал, который нужно принять». По её словам, продемонстрированная методика позволит управлять углом плазменной антенны с помощью сканирования лучом — простым изменением направления лазера.
Что ещё предстоит доказать
Тем не менее от лабораторной демонстрации до практичной антенной системы ещё далеко. Исследователи показали передачу только на одной частоте — 30 МГц, причём приёмная антенна стояла всего в 5 см. Предложенную перестройку частоты, управление лучом, приём радиосигнала и дальнюю связь они пока не продемонстрировали.
Остаются и вопросы: сколько лазерной мощности понадобится, чтобы поддерживать полезную плазменную нить, насколько эффективно она будет передавать радиосигналы и как надёжно работать в разных условиях. Пока достижение остаётся в основном доказательством концепции. «Это первый шаг, но большой: впервые кто-либо показал, что плазменные антенны-филаменты могут работать, — говорит Даршни. — Теперь, когда мы показали, что это возможно, мы можем начать улучшать её характеристики».
Исследование опубликовано в журнале IEEE Journal of Microwaves; о работе сообщил Университет штата Северная Каролина.
