Technologia anten plazmowych do nowych systemów komunikacyjnych
Antena plazmowa to opracowywany obecnie rodzaj anteny radiowej, w której plazma zastępuje metalowe elementy tradycyjnej anteny. Jeden z rodzajów anten plazmowych – gazowa antena plazmowa – zamiast elementów metalowych wykorzystuje rurkę wypełnioną gazem. Gdy prąd przepływa przez rurkę, gaz zostaje częściowo lub całkowicie zjonizowany do postaci plazmy, staje się przewodnikiem i działa jak lustro, by ostatecznie umożliwić nadawanie i odbieranie sygnału. Powyżej częstotliwości plazmy anteny plazmowe są praktycznie transparentne dla ogromnego zakresu fal elektromagnetycznych i stają się niewidoczne po wyłączeniu zasilania systemu i dejonizacji gazu. W przeciwieństwie do anten o konwencjonalnej budowie anteny plazmowe można rekonfigurować elektrycznie (a nie mechanicznie) pod względem impedancji, częstotliwości, szerokości pasma i kierunkowości w skali czasowej obejmującej zakres od mikrosekundy do milisekundy. Możliwe jest także układanie matryc gazowych anten plazmowych, aby pracowały na różnych częstotliwościach. Plazma ma bardzo wysoką przewodność elektryczną, co ułatwia odbiór, kierowanie i przesyłanie różnego rodzaju sygnałów radiowych. Technologia ta ma wiele wyjątkowych zalet, ale nadal istnieje możliwość poprawy jej skuteczności i to właśnie udało się osiągnąć naukowcom biorącym udział w finansowanym przez UE projekcie PATH. „Poprawa parametrów źródeł plazmy wymaga wytężonych wysiłków w zakresie modelowania i technologii. Pokonanie granicy gęstości obecnego źródła plazmy pozwoli stworzyć szereg nowych zastosowań w kilku obszarach technologicznych”, twierdzi Alessio Di Iorio, koordynator projektu i dyrektor generalny w firmie Alma Sistemi.
Testowanie koncepcji źródła hybrydowego
Naukowcy najpierw opracowali dwa rodzaje źródeł plazmy: źródło kompaktowe, wykorzystujące częstotliwość radiową, oraz źródło z pustą katodą, pozwalające na uzyskanie dużej gęstości plazmy i wydłużenie żywotności anten. Szczegółowe modele fizyczne obu źródeł opisują oddziaływania między plazmą a promieniowaniem elektromagnetycznym. „Jak dotąd przeprowadzono kilka badań skupiających się na optymalizacji źródeł plazmy pod względem efektywności energetycznej, rekonfiguracji, rozmiaru, gęstości bądź żywotności. Mimo ich powodzenia nie udawało się jednak osiągnąć postępu we wszystkich tych obszarach jednocześnie”, wyjaśnia Di Iorio. Aby osiągnąć odpowiedni poziom gotowości technologicznej, potrzebne są dalsze badania, zwłaszcza w dziedzinie materiałów. Projekt PATH położył podwaliny pod nową klasę technologii, która łączy najlepsze właściwości źródeł plazmy o częstotliwości radiowej i z pustą katodą. Hybrydowa konstrukcja źródła umożliwiła dalsze zwiększenie gęstości plazmy (przekraczającej 10^20 jonów na metr sześcienny), co dodatkowo poprawiło osiągi anteny. Łącząc wiedzę z różnych dziedzin, zespół PATH zbadał, jak ta koncepcja technologii hybrydowej może być wykorzystana w zastosowaniach związanych z telekomunikacją i nawigacją.
Wyjątkowe cechy technologii anten plazmowych
„Wyniki eksperymentalne dotyczące nowo opracowanych prototypów wykazały, że aktywne anteny plazmowe zachowują się w dużej mierze podobnie jak anteny metalowe. Najbardziej zauważalna różnica, gdy porównujemy te dwa typy anten, dotyczy wzmocnienia, które jest niższe w przypadku anten plazmowych”, zauważa Di Iorio. „Z drugiej strony, gdy elementy anteny są nieaktywne, nie zakłócają aktywnych pól elektrycznych pobliskich elementów. Inaczej mówiąc, po wyłączeniu stają się one transparentne dla fal elektromagnetycznych wypromieniowywanych przez inne elementy”. Całkowite wzmocnienie zespołów anten plazmowych okazało się również niezmienne bez względu na wybór aktywnego elementu anteny – o ile geometria elementów aktywnych pozostaje taka sama. Dla porównania, każdy element anteny w zespołach anten metalowych wpływa na wzmocnienie kanału w inny sposób.
Zastosowania rynkowe technologii anten plazmowych
„Zagwarantowanie niezawodności działania anteny przy wysokich częstotliwościach i możliwości szybkiego przestrajania/wysokiej rekonfiguracji ma ogromne znaczenie dla przyszłych technologii, z których będzie korzystać społeczeństwo informacyjne”, mówi Di Iorio. Zalety anten plazmowych w porównaniu z konwencjonalnymi metalowymi są najbardziej widoczne w zastosowaniach wojskowych, w których podstawowe znaczenie mają techniki stealth i walka elektroniczna. „Spodziewamy się też, że ta technologia będzie obiecującym kandydatem w smartfonach i innych urządzeniach elektroniki użytkowej, ubieralnych urządzeniach do komunikacji bezprzewodowej oraz biomedycznych systemach radiowych”, dodaje na koniec Di Iorio.
Słowa kluczowe
PATH, plazma, antena plazmowa, możliwość rekonfiguracji, źródło plazmy, gęstość, wzmocnienie, częstotliwość radiowa, pusta katoda, antena metalowa
