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Plasma Antenna Technologies

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La tecnologia di antenne al plasma per nuovi sistemi di comunicazione

Un modello ispiratore per la tecnologia emergente di antenne al plasma soddisfa ogni requisito di prestazione, tra cui efficienza energetica, riconfigurabilità, dimensioni compatte, portabilità e ciclo di vita prolungato.

Tecnologie industriali

L’antenna al plasma è un tipo di antenna radio attualmente in fase di sviluppo, dove il plasma sostituisce gli elementi metallici presenti nelle antenne tradizionali. Un esempio di antenna al plasma è l’antenna al gas plasma, che utilizza un tubo di scarico anziché elementi metallici. Mentre la corrente scorre attraverso il tubo, il gas viene parzialmente o completamente ionizzato al plasma, diventa conduttivo e funge da specchio, trasmettendo e ricevendo segnali. Al di sopra della frequenza del plasma, le antenne al plasma risultano virtualmente trasparenti per una grande larghezza di banda di onde elettromagnetiche, diventando invisibili quando l’impianto viene disattivato e il gas si deionizza. A differenza dei modelli di antenna tradizionali, è possibile riconfigurare elettricamente, piuttosto che meccanicamente, i modelli basati sul plasma per quanto riguarda impedenza, frequenza, larghezza di banda e direttività su scale temporali che spaziano dal microsecondo al millisecondo. Inoltre, è possibile impilare serie di antenne al gas plasma affinché funzionino a frequenze diverse. Il plasma possiede un’elevata conduttività elettrica, che contribuisce alla ricezione, alla direzione e alla trasmissione di vari tipi di segnali radio. La tecnologia vanta numerosi vantaggi unici; tuttavia, sussiste sempre un margine di miglioramento relativo alle prestazioni, ed è proprio questo l’obiettivo conseguito dai ricercatori durante il progetto PATH, finanziato dall’UE. «Il miglioramento delle prestazioni della sorgente di plasma richiede notevoli sforzi in termini di modellizzazione e tecnologia. Il superamento del limite della densità dell’attuale sorgente di plasma spianerà la strada a una pletora di nuove applicazioni in diversi ambiti tecnologici», osserva Alessio Di Iorio, coordinatore del progetto e amministratore delegato presso l’azienda Alma Sistemi.

Mettere alla prova il concetto di sorgente ibrida

I ricercatori hanno innanzitutto sviluppato due tipi di sorgenti di plasma: una compatta a radiofrequenza e un’altra a catodo cavo, che prevede elevate densità di plasma e antenne con un ciclo di vita più lungo. I modelli fisici dettagliati di entrambe le sorgenti di plasma illustrano le interazioni tra il plasma e la radiazione elettromagnetica. «Finora, varie attività di ricerca si sono incentrate sull’ottimizzazione delle sorgenti di plasma dal punto di vista dell’efficienza energetica, della riconfigurabilità, della dimensione, della densità o del ciclo di vita. Nonostante il successo ottenuto, non è stato possibile compiere progressi su tutti i fronti», spiega Di Iorio. In effetti, occorre eseguire ulteriori ricerche, in particolare nell’ambito dei materiali al fine di raggiungere un livello di maturità tecnologica appropriato. Il progetto PATH ha gettato le basi per una nuova classe di tecnologia che fonde insieme le migliori proprietà della radiofrequenza e delle sorgenti di plasma a catodo cavo. Il modello di sorgente ibrida ha concorso a un aumento della densità del plasma, superando 10^20 ioni per metro cubo e migliorando così le prestazioni dell’antenna. Grazie all’unione di competenze provenienti da settori diversi, PATH ha scoperto in che modo è possibile avvalersi di questo concetto di tecnologia ibrida nelle applicazioni delle telecomunicazioni e di navigazione.

L’unicità delle caratteristiche della tecnologia delle antenne al plasma

«I risultati sperimentali dei prototipi di nuova concezione hanno dimostrato che il comportamento delle antenne al plasma attive assomiglia molto a quello delle antenne in metallo. La differenza più evidente quando si confrontano questi due tipi di antenne risiede nel guadagno, che si presenta minore nelle antenne al plasma», osserva Di Iorio. «D’altro canto, quando gli elementi dell’antenna non sono attivi, non interferiscono con i campi elettrici attivi degli elementi delle antenne nelle vicinanze. In altre parole, quando sono spente, diventano trasparenti alle onde elettromagnetiche emesse da altri elementi.» Il guadagno complessivo delle serie di antenne al plasma si è inoltre rivelato invariante rispetto alla scelta dell’elemento attivo dell’antenna, a condizione che la geometria degli elementi attivi rimanesse la stessa. Al contrario, ogni elemento dell’antenna nelle serie di antenne in metallo incideva sul guadagno del canale in maniera differente.

Applicazioni di mercato della tecnologia delle antenne al plasma

«La garanzia di prestazioni affidabili delle antenne ad alte frequenze, nonché un adattamento veloce/una riconfigurabilità elevata ricoprono un’importanza fondamentale per il futuro della società dell’informazione», afferma Di Iorio. I vantaggi offerti dalle antenne al plasma rispetto a quelle tradizionali in metallo sono soprattutto evidenti in applicazioni militari, in cui l’invisibilità e la guerra elettronica costituiscono le preoccupazioni principali. «Prevediamo inoltre che la tecnologia si affermerà quale candidato promettente nel settore degli smartphone e di altri dispositivi dell’elettronica di consumo, nelle comunicazioni indossabili senza fili e nei sistemi di radiofrequenza biomedici», conclude Di Iorio.

Parole chiave

PATH, plasma, antenna al plasma, riconfigurabilità, sorgente di plasma, densità, guadagno, radiofrequenza, catodo cavo, antenna in metallo

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