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Plasma Antenna Technologies

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La technologie des antennes plasma pour les nouveaux systèmes de communication

Une conception inspirée de la technologie émergente des antennes plasma concilie tous les impératifs de performance: efficacité énergétique, reconfigurabilité, taille réduite, portabilité et durée de vie prolongée.

Technologies industrielles

Une antenne plasma est un type d’antenne radio en cours de développement dans lequel on utilise le plasma au lieu des éléments métalliques d’une antenne traditionnelle. Un type d’antenne plasma, à savoir l’antenne plasma de gaz, utilise un tube de décharge au lieu des éléments métalliques. À mesure que le courant circule dans le tube, le gaz est partiellement ou totalement ionisé en plasma, devient conducteur et agit comme un miroir, pour finalement transmettre et recevoir des signaux. À des fréquences supérieures à celles du plasma, les antennes plasma sont littéralement transparentes à une grande largeur de bande d’ondes électromagnétiques et deviennent invisibles lorsque le système est mis hors tension et que le gaz se désionise. Contrairement aux conceptions d’antenne traditionnelles, les conceptions d’antenne plasma peuvent être reconfigurées électriquement (au lieu de mécaniquement) en termes d’impédance, de fréquence, de largeur de bande et de directivité sur des échelles de temps allant de la microseconde à la milliseconde. Il est également possible d’empiler des réseaux d’antennes plasma de gaz afin d’assurer un fonctionnement à différentes fréquences. Le plasma a une conductivité électrique très élevée, ce qui facilite la réception, la direction et la transmission de signaux radio de différents types. Cette technologie présente une multitude d’avantages uniques, mais il est toujours possible d’en améliorer les performances. C’est précisément ce que les chercheurs du projet PATH, financé par l’UE, sont parvenus à accomplir. «L’amélioration des performances des sources de plasma nécessite des efforts importants sur les plans de la modélisation et de la technologie. Pouvoir surmonter la limite de densité des sources de plasma actuelles ouvrira la voie à une foule de nouvelles applications dans plusieurs domaines technologiques», fait remarquer Alessio Di Iorio, coordinateur du projet et PDG de Alma Sistemi.

Mise à l’essai d’un concept de source hybride

Dans un premier temps, les chercheurs ont développé deux types de sources de plasma: une source à radiofréquence compacte et une source à cathode creuse qui permet d’atteindre des densités de plasma élevées et de concevoir des antennes plus durables. Des modèles physiques détaillés de ces deux sources de plasma décrivent les interactions entre le plasma et le rayonnement électromagnétique. «Jusqu’à présent, plusieurs efforts de recherche se sont concentrés sur l’optimisation d’une seule caractéristique des sources de plasma: efficacité énergétique, reconfigurabilité, taille, densité ou durée de vie. Malgré leur succès, il n’a pas été possible d’accomplir des progrès sur tous les fronts», explique Alessio Di Iorio. À vrai dire, il est nécessaire de mener des recherches supplémentaires, en particulier dans le domaine des matériaux, pour atteindre un niveau de maturité technologique adéquat. PATH a jeté les bases d’une nouvelle génération de technologies qui combine les meilleures propriétés des sources de plasma à radiofréquence et à cathode creuse. La conception de la source hybride a permis d’augmenter encore davantage la densité du plasma (dépassant 10^20 ions par mètre cube), ce qui a accru les performances de l’antenne. En fusionnant l’expertise issue de différents domaines, PATH a étudié les possibles utilisations de ce concept de technologie hybride dans les applications de télécommunications et de navigation.

Caractéristiques uniques de la technologie des antennes plasma

«Les résultats expérimentaux des prototypes récemment développés ont démontré que le comportement des antennes plasma actives est similaire à celui des antennes métalliques. Lorsque l’on compare ces deux types d’antennes, la différence la plus notable se manifeste au niveau du gain, qui est plus faible pour les antennes plasma», fait remarquer Alessio Di Iorio. «En revanche, lorsque les éléments d’antenne sont inactifs, ils n’interfèrent pas avec les champs électriques actifs des éléments d’antenne aux alentours. En d’autres termes, une fois déconnectés, ces éléments deviennent transparents aux ondes électromagnétiques rayonnées par les autres éléments.» En outre, il a été constaté que le gain général des réseaux d’antennes plasma ne variait pas selon le choix de l’élément d’antenne actif, à condition que la géométrie des éléments actifs reste la même. À l’inverse, chaque élément d’antenne des réseaux d’antennes métalliques avait une incidence différente sur le gain des canaux.

Applications de marché de la technologie des antennes plasma

«La garantie de performances d’antenne fiables à des fréquences élevées et d’un ajustement rapide et/ou une configurabilité élevée est d’une importance capitale pour la société de l’information de demain», déclare Alessio Di Iorio. Les avantages des antennes plasma par rapport à leurs homologues métalliques traditionnels sont les plus évidents dans les applications militaires, où la furtivité et la guerre électronique figurent au sommet de la liste des préoccupations. «Nous nous attendons également à ce que cette technologie représente un candidat prometteur pour les smartphones et autres appareils électroniques grand public, les communications sans fil pour dispositifs portables et les systèmes biomédicaux de radiofréquence», conclut Alessio Di Iorio.

Mots‑clés

PATH, plasma, antenne plasma, reconfigurabilité, source de plasma, densité, gain, radiofréquence, cathode creuse, antenne métallique

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