Аннотация:
Ученые впервые успешно продемонстрировали радиоантенну, состоящую из плазменного луча, генерируемого лазером. Это устройство не требует обычных металлических стержней или механических телескопических конструкций традиционных антенн. Вместо этого он использует лазеры для ионизации воздуха, образуя тонкий плазменный канал, а затем пропускает радиосигналы через электромагнитное поле, позволяя ему излучать радиоволны. Исследователи говорят, что в будущем эта технология будет использоваться в спутниковой связи, радиолокационных системах и оборудовании для исследования космоса.
Это исследование было проведено исследовательской группой из Университета штата Северная Каролина в США, а соответствующая статья была опубликована в журнале «IEEE Transactions on Microwaves» 1 сентября 2026 года. Исследователи продемонстрировали технологию, называемую антенной с лазерно-индуцированной плазмонной нитью, и впервые экспериментально подтвердили, что этот плазменный канал, генерируемый лазером, может действовать как настоящая антенна для излучения радиосигналов.
Физический размер традиционной антенны тесно связан с ее рабочей частотой. Обычно длина антенны влияет на частоты радиоволн, которые она может эффективно передавать или принимать. Если устройству необходимо переключаться между разными частотными диапазонами, часто приходится использовать антенны разных размеров или регулировать длину антенны с помощью механической конструкции. Для такого оборудования, как спутники и самолеты, к которому предъявляются строгие требования по весу, объему и сложности конструкции, такая конструкция может увеличить инженерные трудности.
Плазменные антенны предлагают другой подход. Плазма — это ионизированное состояние газа, образующееся после воздействия достаточной энергии. Он содержит заряженные частицы, способные взаимодействовать с электромагнитными полями. Исследователи использовали лазер с определенной мощностью и диаметром луча для освещения воздуха, ионизируя молекулы воздуха на пути лазера, образуя тонкую плазменную нить. Регулируя параметры лазера, исследователи могут управлять свойствами плазменного канала, в том числе его длиной, тем самым изменяя условия работы антенны.
Однако создание плазменного канала — это только первый шаг. Команде также пришлось придумать, как подавать радиосигналы в этот канал. Поскольку прямой контакт с плазмой с помощью металлических проволок может изменить ее структуру, исследователи разработали устройство бесконтактной подачи.
В устройстве используется металлическое кольцо в качестве емкостной структуры связи. Лазер проходит через металлическое кольцо, создавая внутри кольца нити плазмы. После того, как генератор радиочастотных сигналов подает сигнал на металлическое кольцо, металлическое кольцо генерирует соответствующее электромагнитное поле и передает энергию плазменной нити посредством емкостной связи, заставляя ее излучать радиоволны. Весь процесс не требует прямого контакта металлических деталей с плазмой.
В ходе эксперимента исследователи позволили плазменной антенне излучать радиосигналы на частоте 30 МГц и разместили рядом приемную антенну для измерений. Результаты экспериментов показывают, что по сравнению с ситуацией управления, когда лазер заблокирован и плазменная антенна не формируется, после включения плазменной нити интенсивность сигнала, измеренная на приемном конце, увеличивается примерно в 2,5 раза, что составляет увеличение примерно на 150%. Это экспериментальное доказательство того, что плазменные нити, генерируемые лазером, могут служить антеннами.
Исследователи считают, что одной из наиболее привлекательных особенностей этой антенны является возможность регулировать физическую длину антенны путем изменения параметров лазера. Теоретически это означает, что устройство может менять свою рабочую частоту по мере необходимости, не полагаясь на сложные механические телескопические устройства. Такая гибкость может привести к появлению новых возможностей для проектирования систем, которым необходимо охватывать несколько диапазонов радиочастот.
Еще одним потенциальным преимуществом является то, что направлением антенны можно управлять с помощью лазерного луча. Исследовательская группа отметила, что пока изменяется направление распространения лазера, направление плазменной нити может меняться. Этот метод может использоваться в будущем для корректировки направления сканирования радара или для фокусировки сигналов связи в более выгодных направлениях для улучшения характеристик сигнала в определенных направлениях.
Спутники и космическое оборудование представляют собой области применения, представляющие особый интерес для исследователей. При использовании традиционных спутниковых антенн часто необходимо учитывать механизм развертывания, вес конструкции и доступное пространство, в то время как ожидается, что антенны, генерируемые лазером, снизят некоторые требования к механической конструкции. Эта регулируемая конструкция также может быть полезна для космического оборудования, которому необходимо переключаться между несколькими частотными диапазонами.
Однако это не означает, что технологию уже можно напрямую использовать для связи в дальнем космосе. Исследовательская группа отметила, что на низкой околоземной орбите все еще существует достаточно тонкая атмосфера для образования плазмы, поэтому вполне возможно использовать лазер для генерации плазменных нитей. Однако в среде, где атмосфера чрезвычайно разрежена или даже близка к вакууму, создание и поддержание соответствующих плазменных каналов станет проблемой, которую необходимо решить.
Исследователи также не утверждают, что антенна обладает полными возможностями двусторонней связи. До сих пор была продемонстрирована передача радиосигнала, и еще не проверено экспериментально, может ли она работать в качестве приемной антенны. Его эффективность излучения, усиление сигнала, стабильность работы и производительность в сложных условиях также требуют дальнейшего изучения.
Соавтор статьи Пол Францон, профессор Университета штата Северная Каролина, сказал, что эта технология обеспечивает новый способ настройки формы антенны без необходимости использования сложного механического механизма раскрытия. Исследовательская группа считает, что текущие результаты являются лишь первым шагом в технологическом развитии, но они доказывают, что нити лазерно-индуцированной плазмы действительно могут функционировать как антенны, и последующая работа будет сосредоточена на улучшении производительности и изучении практического применения.
В целом, значение этого исследования заключается не в создании нового устройства, способного заменить все традиционные антенны, а в том, чтобы впервые проверить возможность использования лазеров для временного изготовления антенн в воздухе. Если в будущем будут решены такие проблемы, как энергопотребление, усиление сигнала, стабильность и фактическая адаптация к окружающей среде, ожидается, что плазменные лучевые антенны станут новым выбором для спутников, радаров и других систем связи, требующих гибкой регулировки формы антенн.
Комментарии