Американские учёные создали радиопередающую антенну, которая внешне напоминает световой меч из фантастики. Вместо привычной металлической конструкции в устройстве применяется лазер, формирующий узкий плазменный луч, способный излучать радиоволны. Об этом сообщает портал ScienceDaily со ссылкой на публикацию в IEEE Journal of Microwaves.
По словам Прии Даршни, первого автора научной статьи и аспирантки Университета штата Северная Каролина, плазменная антенна выглядит как световой меч и поддаётся настройке, что позволяет передавать сигнал в широком диапазоне частот. Она также отметила, что способность устройства принимать радиосигналы пока не проверялась, но нет причин сомневаться, что оно сможет работать и в качестве приёмника.
Пол Фрэнзон, соавтор работы и профессор электротехники и вычислительной техники в Университете штата Северная Каролина, назвал разработку захватывающей новой концепцией. По его словам, она даёт возможность получить настраиваемую антенну без сложных механических развёртывающих устройств.
Традиционные антенны сильно зависят от своих физических размеров: длина определяет, какие радиочастоты устройство может эффективно передавать или принимать. Изменение длины позволяет работать на разных частотах, но обычно требует перемещения механических деталей или сложных инженерных решений. Особенно трудно это в космических аппаратах, где оборудование должно быть компактным, лёгким и надёжным. Исследователи из Университета штата Северная Каролина решили выяснить, сможет ли лазер создать антенну прямо в окружающем воздухе, регулируя длину плазменного луча вместо выдвижения металлической конструкции.
Метод основан на лазере, который направляют через воздух. Управляя мощностью и диаметром луча, учёные ионизируют узкую область воздуха, отрывая электроны от атомов и молекул и получая плазму — четвёртое состояние вещества наряду с твёрдым, жидким и газообразным. Благодаря заряженным частицам плазма взаимодействует с электромагнитными полями иначе, чем обычный воздух. В эксперименте лазер создаёт тонкий плазменный филамент, который становится основой антенны. Чтобы передать в плазму электрический сигнал без физического контакта, команда разработала бесконтактный фидер: металлическое кольцо работает как конденсатор, лазер проходит через его центр, а плазменный филамент оказывается в электромагнитном поле конденсатора. Когда генератор радиочастоты подаёт сигнал, поле взаимодействует с филаментом, и тот излучает радиоволны. Так учёные успешно передали сигнал на частоте 30 мегагерц (МГц) в диапазоне очень высоких частот.
Ключевое преимущество технологии — гибкость: параметры лазера позволяют менять длину плазменного филамента, а значит, и характеристики антенны. По словам Даршни, это полезно для приложений, где нужна антенна, перекрывающая все частоты. Кроме того, управляя направлением лазерного луча, можно менять угол наклона антенны, чтобы нацеливать радар или усиливать принимаемый сигнал. Это может пригодиться в системах связи на разных частотах и для направления сигнала в нужную точку. Обычным антеннам для смены ориентации требуются механические устройства, а плазменной достаточно изменить направление лазера. Хотя передача радиоволн уже продемонстрирована, способность принимать сигналы и работать в широком диапазоне частот ещё предстоит проверить. Учёные считают, что технология найдёт применение в спутниках и космических исследованиях, где важны компактность и малый вес оборудования, а также возможность обходиться без сложных механизмов развёртывания. Фрэнзон отметил, что на низкой околоземной орбите достаточно воздуха для образования плазмы, однако технология пока находится на ранней экспериментальной стадии.
Исследователи рассматривают своё достижение как важное доказательство концепции. Даршни подчеркнула, что это первый шаг, но шаг большой: впервые показано, что плазменно-филаментные антенны могут работать, и теперь можно приступать к улучшению их характеристик. В работе также участвовал Артур Догариу из Техасского университета A&M и Принстонского университета, который внёс вклад в экспериментальные измерения. Команда поблагодарила Криса Хьюитта, Байрона Гуда и Джо Макэлвина из Instrument Shop Университета штата Северная Каролина за изобретательность при изготовлении компонентов для экспериментов.