دانشمندان نوع جدیدی از آنتن رادیویی را نشان داده‌اند که شباهت زیادی به شمشیر نوری دارد. این دستگاه به جای استفاده از ساختار فلزی معمولی، به لیزر برای ایجاد یک پرتو باریک از پلاسما که قادر به انتقال امواج رادیویی است، متکی است.
این فناوری در نهایت می‌تواند ساخت آنتن‌هایی را امکان‌پذیر کند که طول و جهت خود را در صورت تقاضا تغییر می‌دهند و فرصت‌های جدیدی را برای ارتباطات بی‌سیم، رادار، ماهواره‌ها و اکتشافات فضایی باز می‌کنند.
پریا درشنی، نویسنده مسئول یک مقاله در مجله در مورد این کار و دکترا می‌گوید: «آنتن پرتو پلاسما شبیه یک شمشیر نوری است و قابل تنظیم است، به این معنی که ما باید بتوانیم در طیف گسترده‌ای از فرکانس‌ها را ارسال کنیم. دانشجوی دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و تا زمانی که توانایی آن را در خدمت به عنوان آنتنی که می تواند سیگنال های رادیویی را دریافت کند، نشان نداده باشیم، دلیلی وجود ندارد که باور کنیم به عنوان گیرنده نیز کار نخواهد کرد.
پل فرانزون، یکی از نویسندگان مقاله و استاد برجسته مهندسی برق و کامپیوتر در ایالت NC می گوید: «این یک مفهوم جدید هیجان انگیز است که به فرد امکان می دهد یک آنتن سفارشی بدون مکانیسم های پیچیده استقرار مکانیکی داشته باشد.
چرا دانشمندان آنتن هایی از پلاسما می خواهند؟
آنتن های سنتی به شدت به ابعاد فیزیکی آنها بستگی دارد. به طور خاص، طول آنتن به تعیین فرکانس های رادیویی که می تواند به طور موثر ارسال یا دریافت کند کمک می کند. تغییر این طول می تواند به آنتن اجازه دهد تا در فرکانس های مختلف کار کند، اما انجام چنین تنظیماتی اغلب به اجزای مکانیکی متحرک یا مهندسی پیچیده نیاز دارد.
این امر به ویژه در کاربردهایی مانند اکتشاف فضایی که تجهیزات باید فشرده، سبک وزن و قابل اعتماد باشند، چالش برانگیز می شود.
محققان ایالت NC می خواستند بررسی کنند که آیا لیزر می تواند راه حل ساده تری را با ایجاد یک آنتن به طور مستقیم در هوای اطراف ارائه دهد یا خیر. به جای گسترش فیزیکی یا جمع کردن یک آنتن فلزی، ایده این بود که لیزر را برای تولید یک پرتو پلاسما با طول دلخواه تنظیم کنیم.
دارشنی می‌گوید: «یکی از سؤالاتی که ما می‌خواستیم با این کار بررسی کنیم این بود که آیا امکان ایجاد آنتن‌های پلاسما با استفاده از لیزر وجود دارد که به ما امکان می‌دهد آنتن‌هایی با هر طولی که لازم است تولید کنیم. و اکنون ما نشان دادیم که ممکن است.
تبدیل پرتو لیزر به آنتن رادیویی
این رویکرد با لیزری که از طریق هوا هدف گیری می شود آغاز می شود. با کنترل دقیق قدرت لیزر و قطر پرتو، محققان می‌توانند ناحیه باریکی از هوا را یونیزه کنند و الکترون‌ها را از اتم‌ها و مولکول‌ها جدا کرده و پلاسما تولید کنند.
پلاسما اغلب به عنوان حالت چهارم ماده همراه با جامدات، مایعات و گازها توصیف می شود. از آنجایی که حاوی ذرات باردار الکتریکی است، می‌تواند با میدان‌های الکترومغناطیسی به روش‌هایی تعامل کند که هوای معمولی نمی‌تواند.
در این آزمایش، لیزر یک کانال نازک و غلیظ پلاسما تولید می کند که به عنوان رشته پلاسما شناخته می شود. این نخ به پایه آنتن تبدیل می شود.
با این حال، ایجاد یک پرتو پلاسما تنها بخشی از چالش بود. برای انتقال امواج رادیویی، تیم همچنین به راهی برای رساندن سیگنال الکتریکی به پلاسما بدون تکیه بر یک اتصال فیزیکی معمولی نیاز داشت.
راه حل آنها یک تغذیه آنتن بدون تماس ویژه طراحی شده بود.
این سیستم از یک حلقه فلزی استفاده می کند که به عنوان خازن عمل می کند، جزءی که انرژی الکتریکی را در میدان الکتریکی ذخیره می کند. لیزر از مرکز حلقه عبور می کند و یک رشته پلاسما تولید می کند که از طریق میدان الکترومغناطیسی اطراف خازن گسترش می یابد.
این آرایش به محققان اجازه می دهد تا انرژی را بدون لمس فیزیکی به پلاسما منتقل کنند.
هنگامی که یک ژنراتور RF سیگنالی را به خازن می فرستد، میدان الکترومغناطیسی حاصل با رشته پلاسما تعامل می کند. این فعل و انفعال باعث می شود که رشته امواج رادیویی را در فرکانس اعمال شده ارسال کند.
با استفاده از این روش، محققان با موفقیت انتقال رادیویی را در 30 مگاهرتز (MHz) در محدوده رادیویی فرکانس بسیار بالا (VHF) نشان دادند.
آنتنی که می تواند طول و جهت را تغییر دهد
یکی از امیدوارکننده ترین ویژگی های این فناوری، انعطاف پذیری بالقوه آن است. از آنجایی که آنتن به جای اینکه از ساختار فلزی ثابت ساخته شود توسط لیزر ایجاد می شود، ابعاد آن را می توان با تغییر تنظیمات لیزر تنظیم کرد.
دارشنی می‌گوید: «با کنترل پارامترهای لیزر، می‌توانید ویژگی‌های رشته پلاسما را کنترل کنید – از جمله طول آن». “این برای برنامه هایی با ارزش است که در آنها به آنتنی نیاز دارید که بتواند تمام فرکانس ها را پوشش دهد. اما مزیت دیگری نیز وجود دارد.
دارشنی می‌گوید: «همچنین برنامه‌هایی وجود دارند که در آنها مهم است که بتوانیم زاویه آنتن را برای نشان دادن جهت رادار یا بهبود قدرت سیگنالی که می‌خواهیم دریافت کنیم، کنترل کنیم. تکنیکی که ما در اینجا نشان داده‌ایم به کاربران این امکان را می‌دهد که زاویه آنتن رشته پلاسما را با هدایت پرتو کنترل کنند – به سادگی با تغییر جهت لیزر.
این قابلیت می‌تواند در سیستم‌هایی که نیاز به برقراری ارتباط از طریق فرکانس‌های رادیویی مختلف یا مسیریابی سیگنال‌ها به مکان‌های خاص دارند، ارزشمند باشد.
آنتن های معمولی ممکن است نیاز به دستگاه های مکانیکی داشته باشند تا جهت خود را تغییر دهند. یک آنتن پلاسمای تولید شده توسط لیزر به طور بالقوه می تواند تنظیمات مشابهی را با کنترل خود پرتو لیزر انجام دهد و نیاز به قطعات متحرک را کاهش دهد.
اگرچه محققان نشان داده‌اند که رشته پلاسما می‌تواند امواج رادیویی را ارسال کند، توانایی آن در دریافت سیگنال‌ها و عملکرد در طیف وسیعی از فرکانس‌ها هنوز آزمایش نشده است.
کاربردهای بالقوه در ماهواره ها و اکتشافات فضایی
محققان بر این باورند که این فناوری در نهایت می‌تواند چندین هدف را به همراه داشته باشد که ماهواره‌ها و اکتشافات فضایی در میان امیدوارکننده‌ترین احتمالات هستند.
طراحان فضاپیما با محدودیت‌های سختی در مورد وزن و اندازه تجهیزاتی که می‌توانند پرتاب کنند، مواجه هستند. سیستم‌های آنتن سنتی همچنین می‌توانند به مکانیزم‌های استقرار پیچیده نیاز داشته باشند، به‌ویژه زمانی که سازه‌های بزرگ باید برای پرتاب تا شوند و پس از رسیدن به فضا گسترش یابند.
یک آنتن تولید شده با لیزر می تواند رویکرد متفاوتی را ارائه دهد و به طور بالقوه به فضاپیماها اجازه می دهد تا بدون حمل انواع ساختارهای مکانیکی، آنتن ها را ایجاد و تنظیم کنند.
توانایی کار در فرکانس‌های رادیویی مختلف نیز می‌تواند برای ارتباطات فضاپیما و ابزارهای علمی مفید باشد.
فرانزون می گوید: در مدار پایین زمین، هوای کافی برای تشکیل پلاسما وجود دارد.
اگرچه این نشان دهنده کاربرد احتمالی آن در جو نازک اطراف زمین است، این فناوری در مراحل اولیه آزمایشی باقی مانده است. تحقیقات بیشتری برای تعیین اینکه چگونه آنتن های پلاسمای تولید شده با لیزر می توانند در شرایط فضای واقعی کار کنند، مورد نیاز است.
اولین نمایش موفق راه را برای تحقیقات بیشتر باز می کند
در حال حاضر، محققان دستاورد خود را به عنوان یک اثبات مهم از مفهوم می دانند. آنها نشان داده‌اند که لیزر می‌تواند رشته‌ای پلاسما تولید کند که به عنوان یک آنتن فرستنده عمل می‌کند و زمینه را برای پیشرفت‌های آینده فراهم می‌کند.
دارشنی می‌گوید: «این اولین قدم است، اما یک قدم بزرگ است – این اولین باری است که کسی نشان داده است که آنتن‌های رشته‌ای پلاسما می‌توانند کار کنند». اکنون که نشان دادیم این امکان پذیر است، می‌توانیم شروع به بهبود عملکرد آن کنیم.»
این یافته ها در مقاله دسترسی باز “آنتن رشته پلاسمای القا شده با لیزر که فرستنده 30 مگاهرتز VHF است”، که در مجله IEEE Microwaves منتشر شده است، توضیح داده شده است.
آرتور دوگاریو، وابسته به دانشگاه A&M تگزاس و دانشگاه پرینستون، این مطالعه را تالیف کرد و در اندازه گیری های تجربی مشارکت داشت.
تیم تحقیقاتی همچنین از Chris Hewett، Byron Good و Joe McElveen از فروشگاه ابزارهای NC State به دلیل نبوغ آنها در ساخت اجزای مورد استفاده در آزمایش ها قدردانی کرد.
