En antenne forbindes gjerne med en tynn metallstav, men forskere ved North Carolina State University har nå demonstrert en annen løsning: en antenne laget av en laserstyrt plasmastråle.

Forsøket overførte radiosignaler på 30 MHz. På sikt kan metoden gjøre det mulig å endre antennens lengde og retning ved å justere laseren, i stedet for å bruke tunge mekaniske systemer.

En antenne laget av ionisert luft

«Plasma beam antenna looks like a lightsaber and is tunable, so we should be able to transmit over a wide range of frequencies», sa P. Daršni, doktorgradsstudent ved North Carolina State University og studiens korresponderende forfatter. Hun påpekte samtidig at teamet foreløpig bare har demonstrert sending, selv om de mener antennen også bør kunne motta radiosignaler.

Vanlige antenner påvirkes i stor grad av de fysiske dimensjonene, særlig lengden. En antenne som er utviklet for én frekvens, kan fungere langt dårligere på en annen frekvens. Problemet er spesielt krevende i romfart, der satellitter kan trenge relativt lange antenner som må foldes sammen før oppskytning og foldes ut i bane.

Forskerne erstattet metallantennen med en ledende gasskolonne laget av laser. En laser med nøyaktig kontrollert effekt og strålediameter ioniserte en smal kolonne med luft. Energien rev elektroner løs fra gassmolekylene og dannet en tynn plasmastreng med frie elektroner og positivt ladede ioner.

De ladede partiklene kan reagere på elektromagnetiske felt. Dermed kan plasmastrengen til en viss grad fungere som en tradisjonell metallantenne. Laseren lager selve antennen, mens plasmaet fungerer som den ledende strukturen. Laserstrålen bærer ikke radiosignalet.

Signalet ble koblet inn uten fysisk kontakt

Plasmaantenner er ikke et helt nytt konsept. Tidligere forsøk har brukt ioniserte gasser, blant annet laserlagde plasmakolonner som krevde ekstra høyspentutladninger. North Carolina State University-teamet brukte i stedet en laserlaget plasmastreng og en kontaktløs metode for å tilføre radiofrekvenssignalet.

En metallledning ville kunne deformere den sårbare plasmastrengen. Derfor utviklet forskerne en ledende metallring som fungerer som en kondensator. Laserstrålen går gjennom ringen og lager plasmastrengen i sentrum. En radiofrekvensgenerator tilfører ringen et elektrisk signal, som skaper et vekslende elektrisk felt rundt plasmaet uten fysisk kontakt.

For å teste systemet tilførte forskerne ringen et signal på 30 MHz og plasserte en mottakerantenne rundt fem centimeter unna. Først målte de signalet mens laseren var blokkert. Deretter gjentok de målingen med plasmastrengen på plass, uten å endre radiofrekvenssignalet.

Da plasmastrengen var til stede, økte styrken på det mottatte signalet 2,5 ganger, tilsvarende 150 prosent, sammenlignet med oppsettet uten plasma. Begge antennene hadde passende lineær polarisering, og målingene ble gjort i nærfeltet.

Foreløpig bare en konseptdemonstrasjon

Resultatene ga eksperimentelle bevis for at den laserlagde plasmastrengen fungerte som en senderantenne. I teorien kan teknologien brukes i satellitter og romfartøy, der ulike antennelengder kan lages uten å frakte og folde ut tilsvarende metallkonstruksjoner.

Ved å endre laserens retning kan man også endre plasmastrengens orientering. Det kan gi større fleksibilitet i radarsystemer og retningsbestemt kommunikasjon. «Ved å kontrollere laserens parametere kan man kontrollere egenskapene til plasmastrengen, blant annet lengden», sa Daršni.

Hun mener dette kan være nyttig i bruksområder som krever antenner som kan skifte mellom mange frekvenser. Hun trakk også fram muligheten for å styre antennens vinkel for å målrette radarskanning eller forbedre styrken på det mottatte signalet. «Teknikken vi har demonstrert, vil gjøre det mulig å kontrollere vinkelen på plasmastrengantennen ved å styre strålen – ganske enkelt ved å endre laserens retning», sa hun.

Det er likevel langt fra laboratorieforsøket til et praktisk antennasystem. Overføring er foreløpig bare demonstrert ved 30 MHz, og mottakeren sto kun fem centimeter unna. Forskerne har ennå ikke demonstrert frekvensjustering, strålestyring, mottak av radiosignaler eller kommunikasjon over lengre avstander.

Det gjenstår også spørsmål om hvor mye lasereffekt som kreves for å opprettholde en nyttig plasmastreng, hvor effektiv radiooverføringen er, og hvor pålitelig systemet vil være i ulike miljøer.

«Dette er det første steget, men et stort steg – for første gang har noen vist at plasmastrengantenner kan fungere», sa Daršni. «Nå som vi har vist at det er mulig, kan vi begynne å forbedre ytelsen.»

Studien er publisert i tidsskriftet IEEE Journal of Microwaves.