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Plasma Antenna Technologies

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Plasmaantennen für neue Kommunikationssysteme

Plasmaantennen sind eine aufstrebende Technologie, die durch verbessertes Design nun stromeffizienter, rekonfigurierbar, kleiner, tragbar und langlebiger wird.

Industrielle Technologien

Eine Plasmaantenne ist eine Art Funkantenne, die noch in der Entwicklungsphase ist und die Metallelemente herkömmlicher Antennen durch Plasma ersetzt. Eine weitere Untergruppe, so genannte Gasplasmaantennen, verwenden stattdessen eine Entladungsröhre. Liegt Strom an, wird hier das Gas ganz oder teilweise zu Plasma ionisiert und damit leitfähig und reflektierend, sodass Signale gesendet und empfangen werden können. Oberhalb der Plasmafrequenz sind Plasmaantennen für größere Bandbreiten elektromagnetischer Wellen praktisch transparent und werden somit unsichtbar, sobald das System abgeschaltet und das Gas entionisiert wird. Anderes als bei herkömmlichen Antennen sind bei Plasmaantennen Impedanz, Frequenz, Bandbreite und Richtwirkung innerhalb einer Mikro- und Millisekunde elektrisch (statt mechanisch) konfigurierbar. Zudem können Gasplasmaantennen in Arrays angeordnet werden, um den Frequenzbereich zu erweitern. Da Plasma elektrisch hochleitfähig ist, verbessern sich Empfang, Richtung und Übertragung verschiedenster Arten von Funksignalen. Obwohl die Vorteile der Technologie unbestritten sind, ist die Leistung noch optimierbar, was nun Aufgabe des EU-finanzierten Projekts PATH war. „Für mehr Leistungseffizienz müssen vor allem Modelle und Technologien noch deutlich verbessert werden. Eine Erhöhung der Plasmadichte zum Beispiel würde viele neue technologische Anwendungsbereiche erschließen“, erläutert Alessio Di Iorio, Projektkoordinator und Geschäftsführer des Unternehmens Alma Sistemi.

Test hybrider Plasmaquelle

Die Arbeitsgruppe entwickelte zunächst zwei Arten von Plasmaquellen: eine kompakte Hochfrequenzquelle und eine Hohlkathodenquelle für höhere Plasmadichte und Langlebigkeit. Detaillierte physikalische Modelle beider Plasmaquellen belegen die Wechselwirkungen zwischen Plasma und elektromagnetischer Strahlung. „Mehrere Forschungsvorhaben befassten sich bereits mit der Optimierung von Plasmaquellen hinsichtlich Energieeffizienz, Rekonfigurierbarkeit, Größe, Dichte und Lebensdauer, was aber nicht in allen Aspekten gelang“, erklärt Di Iorio. Für einen angemessenen Technologiereifegrad besteht insbesondere in der Materialforschung noch Nachholbedarf. PATH schuf die Basis für eine neue Technologieklasse, die die besten Eigenschaften von Hochfrequenz- und Hohlkathoden-Plasmaquellen kombiniert. Durch das hybride Konzept konnte (mit mehr als 10^20 Ionen pro Kubikmeter) die Plasmadichte und damit auch die Antennenleistung verbessert werden. Mittels fachübergreifender Expertise untersuchte PATH zudem die Eignung der Hybridtechnologie für die Bereiche Telekommunikation und Satellitennavigation.

Besondere Eigenschaften von Plasmaantennen

„Die experimentellen Ergebnisse der neuen Prototypen zeigen, dass sich aktives Plasma in Antennen ähnlich verhält wie Metall. Am wesentlichsten unterscheiden sich beide Antennentypen jedoch bei der Verstärkung, die bei Plasmaantennen schwächer ist“, bemerkt Di Iorio. „Sind diese Antennenelemente jedoch inaktiv, stören sie nicht die aktiven elektrischen Felder benachbarter Antennenelemente, d. h. ausgeschaltet sind sie für die elektromagnetischen Wellen anderer Antennen unsichtbar.“ Zudem hatte die Art des aktiven Antennenelements keinen Einfluss auf die Gesamtverstärkung der Plasmaantennen-Arrays – solange die Geometrie der aktiven Elemente nicht verändert wurde. Im Gegensatz dazu beeinflusste bei metallischen Antennenarrays jedes Antennenelement die Kanalverstärkung auf andere Weise.

Marktpotenzial der Plasmaantennentechnologie

„Die zuverlässige Leistung einer Antenne bei hohen Frequenzen und gute Einstellbarkeit/hohe Rekonfigurierbarkeit ist Voraussetzung für unsere künftige Informationsgesellschaft“, so Di Iorio. Die Vorteile von Plasmaantennen gegenüber herkömmlichen Metallantennen sind am deutlichsten im militärischen Bereich, insbesondere bei Tarnkappentechnik und elektronischer Kriegsführung. „Mit Sicherheit dürfte die Technologie auch für Smartphones, Unterhaltungselektronik, tragbare drahtlose Kommunikation und biomedizinische Hochfrequenzsysteme interessant werden“, schließt Di Iorio.

Schlüsselbegriffe

PATH, Plasma, Plasmaantenne, Rekonfigurierbarkeit, Plasmaquelle, Dichte, Verstärkung, Hochfrequenz, Hohlkathode, Metallantenne

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