Исследователи из Университета штата Северная Каролина (North Carolina State University) продемонстрировали необычный способ передачи радиосигналов: вместо привычной металлической конструкции они использовали тонкий плазменный канал, созданный лазером. Эксперимент подтвердил, что такая антенна способна излучать радиоволны. В перспективе технология позволит создавать антенны с изменяемыми длиной и направлением без сложных механических устройств.
Разработка напоминает световой меч из «Звёздных войн», однако за эффектным внешним сходством стоит вполне серьёзная инженерная задача. Физические размеры обычной антенны во многом определяют, на каких частотах она работает наиболее эффективно. Если необходимо изменить рабочий диапазон или направление передачи сигнала, иногда приходится использовать дополнительные конструкции и механизмы. Плазменная антенна предлагает принципиально иной подход.
Как работает антенна из плазмы
Чтобы создать новую антенну, учёные направили лазерный луч в воздух. При соответствующих мощности и диаметре луча лазер ионизирует газ: часть электронов отделяется от атомов и молекул, в результате чего образуется плазма — среда, содержащая свободные электроны и положительно заряженные ионы.
Возникающий узкий канал называют плазменным филаментом. Благодаря наличию свободных заряженных частиц он способен взаимодействовать с электромагнитными полями и выполнять функцию, сходную с функцией металлического проводника в обычной антенне.
Здесь важно понимать один нюанс: лазер сам по себе не передаёт радиосигнал. Он создаёт плазменную структуру, которая и становится излучающим элементом антенны.
Исследователи уже экспериментировали с плазменными антеннами, поэтому сама идея не нова. Однако предыдущие подходы могли требовать дополнительных высоковольтных разрядов для формирования и поддержания проводящего канала. Команда из Университета штата Северная Каролина продемонстрировала другой вариант: плазменный филамент, создаваемый лазером, и способ передачи ему радиочастотного сигнала без непосредственного электрического контакта.
Как передать сигнал, не касаясь плазмы
Создать плазменный канал — лишь половина задачи. Необходимо ещё подвести к нему электрический сигнал от передающего оборудования. В обычных антеннах для этого используют металлические проводники, но непосредственное соединение с тонким и нестабильным плазменным филаментом может нарушить его структуру.
Решением стало бесконтактное устройство питания, основанное на ёмкостной связи.
В экспериментальной установке лазер проходил через металлическое кольцо, внутри которого формировался плазменный канал. Кольцо выполняло роль конденсатора: при подаче радиочастотного сигнала на нём возникало переменное электрическое поле.
Это поле взаимодействовало с заряженными частицами плазмы, заставляя их реагировать на изменения электрического сигнала. В результате плазменный канал начинал излучать электромагнитные волны.
Таким образом, металлический элемент не нужно соединять с плазмой напрямую. Сигнал передаётся за счёт электрического поля, а лазер позволяет создавать сам излучающий элемент.
Что показал эксперимент
Исследователи проверили работоспособность установки на частоте 30 МГц. Для сравнения они провели два измерения: сначала при заблокированном лазерном луче, когда плазменная антенна отсутствовала, а затем при включённом лазере, формировавшем плазменный филамент.
Приёмную антенну разместили на расстоянии примерно 5 см от экспериментального устройства. В обоих случаях на металлическое кольцо подавали одинаковый радиочастотный сигнал.
Результат оказался показательным: при наличии плазменного канала уровень принятого сигнала вырос в 2,5 раза — на 150% по сравнению с измерением без плазменной антенны.
Это стало экспериментальным подтверждением того, что созданный лазером плазменный филамент способен самостоятельно излучать радиоволны и работать как передающая антенна.
Однако важно не переоценивать достигнутое. Испытания проводились на одной частоте и на очень небольшом расстоянии, в ближней зоне антенны. Поэтому эксперимент пока доказывает принципиальную работоспособность технологии, а не её готовность к практическому использованию.
Зачем нужны плазменные антенны
Одно из наиболее перспективных направлений применения новой технологии — спутники и космические аппараты. Для них каждый дополнительный килограмм оборудования имеет значение, а антенны нередко приходится складывать перед запуском и разворачивать уже на орбите.
Если вместо жёсткой металлической конструкции использовать лазерный плазменный канал, потенциально можно будет создавать антенны нужной длины непосредственно по мере необходимости. Это позволит уменьшить зависимость от сложных механических систем развёртывания.
Изменение параметров лазера даст возможность регулировать характеристики плазменного филамента, в том числе его длину. Теоретически это откроет путь к созданию антенн, приспосабливающихся к различным частотам без замены физических элементов.
Ещё одна интересная возможность — управление направлением антенны. Для этого достаточно изменить направление лазерного луча, формирующего плазменный канал. В перспективе такой подход может пригодиться в радиолокационных системах, где важно направлять излучение в определённую область пространства, а также в системах связи, которым требуется гибко менять направление передачи сигнала.
Исследовательница Прия Даршни (Prya Darshni), аспирантка Университета штата Северная Каролина и один из авторов работы, отмечает, что управление длиной и ориентацией плазменного филамента может оказаться полезным там, где требуется работать с разными частотами или менять направление радиолокационного обзора.
Соавтор исследования Пол Франзон (Paul Franzon), профессор электротехники и вычислительной техники того же университета, также рассматривает технологию как способ создавать антенны заданной конфигурации без сложных механических механизмов.
При этом возможность принимать радиосигналы с помощью такой антенны пока не была экспериментально подтверждена. Учёные считают её перспективной, но для практического применения необходимо провести дополнительные испытания.
Что мешает внедрению технологии
Несмотря на обнадёживающие результаты, до создания полноценной плазменной антенны ещё далеко. Исследователям предстоит выяснить, насколько эффективно она передаёт энергию радиосигнала, сколько лазерной мощности требуется для формирования устойчивого плазменного канала и как устройство будет работать в различных условиях.
Необходимо также проверить, действительно ли можно надёжно перестраивать рабочую частоту и управлять направлением излучения в реальных системах. Пока эти возможности остаются перспективными направлениями дальнейших исследований, а не доказанными характеристиками готового устройства.
Отдельный вопрос — условия окружающей среды. Например, на низкой околоземной орбите ещё присутствует разреженная атмосфера, в которой в принципе возможно образование плазмы из газа. Однако это само по себе не гарантирует, что установка сможет создавать достаточно устойчивый и эффективный канал для передачи радиосигналов.
Результаты исследования опубликованы в журнале IEEE Journal of Microwaves в статье «Антенна на основе лазерно-индуцированного плазменного филамента, передающая сигнал в диапазоне 30 МГц» (Laser-Induced-Plasma-Filament Antenna Transmitting 30 MHz VHF).
Пока речь идёт о лабораторной демонстрации, а не о готовой замене традиционным антеннам. Тем не менее учёные сделали важный первый шаг: показали, что лазер может создавать проводящий плазменный канал, способный выполнять функцию антенны. Если дальнейшие эксперименты подтвердят возможность эффективной передачи сигналов на разных частотах и управления направлением излучения, эта технология может предложить новый подход к проектированию спутниковых систем связи, радиолокационного оборудования и других беспроводных устройств.
