Parasti antena tiek saistīta ar tievu metāla stieni — piemēram, izvelkamu stienīti pārnēsājamā FM radio vai augstu konstrukciju radio un televīzijas apraidei. Tomēr antenas var būt arī paraboliski šķīvji vai uz shēmplātnēm iespiesti vadoši raksti. Lai kāda būtu to forma, tradicionālās antenas parasti ir cietas konstrukcijas.

Jaunajā eksperimentā Ziemeļkarolīnas štata universitātes komanda demonstrējusi antenu, kas izveidota no plazmas stara. Koncepcijas pārbaudes ierīce spēja pārraidīt radio viļņus 30 MHz frekvencē, bet nākotnē šāda pieeja varētu ļaut inženieriem mainīt antenas garumu un novietojumu, vienkārši regulējot lāzeru. Tas varētu mazināt vajadzību pēc smagām mehāniskām sistēmām, kas nepieciešamas tradicionālo antenu izvēršanai.

“Plazmas stara antena izskatās kā gaismas zobens un ir regulējama, tādēļ mums vajadzētu spēt pārraidīt plašā frekvenču diapazonā,” sacīja P. Daršni, Ziemeļkarolīnas štata universitātes doktorante un pētījuma korespondējošā autore. Viņa norādīja, ka komanda līdz šim demonstrējusi tikai pārraidi, taču uzskata — antenai vajadzētu spēt arī uztvert radio signālus.

Kāpēc būtu vajadzīga plazmas antena

Parastās antenas darbību būtiski ietekmē tās fiziskie izmēri, īpaši garums. Antena, kas izstrādāta vienai frekvencei, var darboties ievērojami sliktāk citā, būtiski atšķirīgā frekvencē. Šo problēmu daļēji risina programmatūras definēti radioaparāti, kas spēj pārslēgties starp frekvencēm bez aparatūras nomaiņas, tomēr arī pašai antenai jābūt piemērotai darbam šajās frekvencēs.

Pastāv platjoslas, daudzjoslu un elektroniski regulējamas antenas, kas ļauj izmantot vairākas frekvences, taču katram risinājumam ir savi kompromisi. Problēma kļūst īpaši sarežģīta kosmosa izpētē. Satelītiem var būt nepieciešamas samērā garas antenas, kuras pirms starta jāsaloka, bet pēc nonākšanas orbītā jāizvērš. To fizisko izmēru vai orientācijas maiņai var būt vajadzīgas papildu mehāniskas sistēmas, kas palielina svaru un konstrukcijas sarežģītību.

Pētnieku piedāvātajā pieejā metāla antenu aizstātu ar lāzera izveidotu vadošas gāzes kolonnu. Ja nepieciešams cits antenas garums, varētu mainīt lāzera iestatījumus; ja jāmaina orientācija, lāzeru varētu pavērst citā virzienā. Tieši šīs iespējas komanda pašlaik pēta.

Lāzers izveido plazmas pavedienu

Lai izveidotu ierīci, pētnieki izmantoja lāzeru ar precīzi kontrolētu jaudu un stara diametru, lai jonizētu šauru gaisa kolonnu. Koncentrētā lāzera enerģija atdala elektronus no gāzes molekulām, radot plānu plazmas vārpstu jeb plazmas pavedienu, kurā atrodas brīvie elektroni un pozitīvi lādēti joni.

Šīs lādētās daļiņas spēj reaģēt uz elektromagnētiskajiem laukiem, tādēļ plazmas pavediens var zināmā mērā darboties līdzīgi tradicionālai metāla antenai. Vienkāršoti sakot, lāzers izveido antenu, bet tā radītā plazma kalpo kā vadošā struktūra, kas pārraida radio viļņus. Pats lāzera stars radio signālu nenes.

Plazmas antenas nav pilnīgi jauns jēdziens. Iepriekš pētnieki bija demonstrējuši antenas no jonizētām gāzēm, tostarp ar lāzeru radītas plazmas kolonnas, kurām bija nepieciešamas papildu augstsprieguma izlādes. Ziemeļkarolīnas štata universitātes komanda izmantoja citu pieeju — lāzera radītu pavedienu un bezkontakta mehānismu radiofrekvences signāla ievadīšanai tajā.

Signāls plazmā tiek ievadīts bez fiziska kontakta

Tradicionālās antenas parasti ar raidītājiem savieno vadoši metāla pievadi. Taču metāla stieples pievienošana trauslajam plazmas pavedienam deformētu tā struktūru. Tādēļ pētnieki izstrādāja bezkontakta antenas pievadu — vadošu metāla gredzenu, kas darbojas kā kondensators.

Lāzera stars iziet caur gredzenu un tā centrā izveido plazmas pavedienu. Radiofrekvences ģenerators pievada gredzenam elektrisku signālu, radot mainīgu elektrisko lauku, kas mijiedarbojas ar plazmu, tai fiziski nepieskaroties. Šis lauks liek plazmas lādētajām daļiņām reaģēt uz radiofrekvences signālu, ļaujot pavedienam izstarot elektromagnētiskos viļņus.

Lai pārbaudītu, vai sistēma darbojas, pētnieki metāla gredzenam pievadīja 30 MHz signālu un aptuveni 5 cm attālumā novietoja uztverošo antenu. Vispirms viņi izmērīja saņemto signālu, lāzeram esot bloķētam, tādējādi pārbaudot kapacitatīvo pievadu bez plazmas antenas. Pēc tam mērījumu atkārtoja, lāzeram izveidojot plazmas pavedienu, vienlaikus saglabājot nemainīgu radiofrekvences ievadi.

Kad plazmas pavediens bija klātesošs, saņemtā signāla stiprums palielinājās 2,5 reizes jeb par 150%, salīdzinot ar konfigurāciju bez tā. Abas antenas bija novietotas ar atbilstošu lineāro polarizāciju, bet mērījumi tika veikti tuvajā laukā. Rezultāti sniedza eksperimentālus pierādījumus, ka lāzera radītais plazmas pavediens darbojās kā pārraidoša antena.

Iespējamais pielietojums un pašreizējie ierobežojumi

Tehnoloģijas iespējamais pielietojums neaprobežojas ar parastiem radio sakariem. Satelītos un kosmosa aparātos inženieri teorētiski varētu radīt dažāda garuma antenas, nepārvadājot un neizvēršot līdzvērtīgas metāla konstrukcijas. Lāzera virziena maiņa varētu mainīt arī plazmas antenas orientāciju, sniedzot lielāku elastību radaru sistēmām un virziena sakariem.

“Kontrolējot lāzera parametrus, jūs varat kontrolēt plazmas pavediena īpašības, tostarp tā garumu,” sacīja Daršni. Viņasprāt, tas ir vērtīgi lietojumos, kuros nepieciešama antena, kas spēj pārslēgties pa visām frekvencēm. Viņa arī norādīja, ka dažos gadījumos svarīgi ir kontrolēt antenas leņķi, lai mērķētu radara skenēšanu vai uzlabotu uztveramā signāla stiprumu. “Mūsu demonstrētā tehnika ļautu lietotājiem kontrolēt plazmas pavediena antenas leņķi ar stara vadību — vienkārši mainot lāzera virzienu,” viņa piebilda.

Tomēr no laboratorijas demonstrācijas līdz praktiskai antenu sistēmai vēl ir ievērojams attālums. Pētnieki pārraidi līdz šim demonstrējuši tikai vienā frekvencē — 30 MHz —, turklāt uztverošā antena atradās tikai 5 cm attālumā. Vēl nav demonstrēta piedāvātā frekvences regulēšana, stara vadība, radio signālu uztveršana vai sakari lielā attālumā.

Atklāti paliek arī jautājumi par lāzera jaudu, kas būtu nepieciešama, lai uzturētu lietderīgu plazmas pavedienu, par radio signālu pārraides efektivitāti un par sistēmas darbības uzticamību dažādās vidēs. Pašlaik sasniegums galvenokārt ir koncepcijas pārbaude. “Šis ir pirmais solis, taču liels solis — pirmo reizi kāds ir parādījis, ka plazmas pavediena antenas var darboties,” sacīja Daršni. “Tagad, kad esam parādījuši, ka tas ir iespējams, varam sākt uzlabot tās veiktspēju.”

Pētījums publicēts žurnālā IEEE Journal of Microwaves.