محققان آنتن لیزری شبیه شمشیر نوری برای انتقال امواج رادیویی ساختند

محققان روشی را به نمایش گذاشته‌اند که از لیزر برای تولید یک آنتن پرتو پلاسما قادر به انتقال امواج رادیویی استفاده می‌کند. تصویر: Prya Darshni، دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی

دانشمندان نوع جدیدی از آنتن رادیویی را به نمایش گذاشته‌اند که به طرز چشمگیری شبیه شمشیر نوری است. این دستگاه به جای استفاده از یک ساختار فلزی معمولی، به لیزری متکی است تا یک پرتو باریک پلاسما ایجاد کند که قادر به انتقال امواج رادیویی است.

این فناوری در نهایت می‌تواند ساخت آنتن‌هایی را که طول و جهت خود را در صورت نیاز تغییر می‌دهند، امکان‌پذیر کند و فرصت‌های جدیدی را برای ارتباطات بی‌سیم، رادار، ماهواره‌ها و اکتشافات فضایی باز کند.

Prya Darshni، نویسنده اصلی مقاله و دانشجوی دکتری در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی می‌گوید: «آنتن پرتو پلاسما شبیه شمشیر نوری است و قابل تنظیم است، به این معنی که باید بتوانیم در طیف وسیعی از فرکانس‌ها انتقال انجام دهیم.» و در حالی که ما توانایی آن را به عنوان آنتنی که می‌تواند سیگنال‌های رادیویی را دریافت کند، نشان نداده‌ایم، دلیلی وجود ندارد که فکر کنیم به عنوان گیرنده نیز کار نمی‌کند.

Paul Franzon، نویسنده مشترک مقاله و استاد برجسته مهندسی برق و کامپیوتر Cirrus Logic در NC State می‌گوید: «این یک مفهوم جدید و هیجان‌انگیز است که به شما امکان می‌دهد بدون مکانیسم‌های استقرار مکانیکی پیچیده، آنتن سفارشی داشته باشید.»

چرا دانشمندان آنتن‌هایی از پلاسما می‌خواهند

آنتن‌های سنتی به شدت به ابعاد فیزیکی خود وابسته هستند. به طور خاص، طول آنتن به تعیین فرکانس‌های رادیویی که می‌تواند به طور موثر انتقال یا دریافت کند، کمک می‌کند. تغییر آن طول می‌تواند به آنتن اجازه دهد تا در فرکانس‌های مختلف کار کند، اما ایجاد چنین تنظیماتی اغلب به حرکت دادن اجزای مکانیکی یا مهندسی پیچیده نیاز دارد.

این امر به ویژه در کاربردهایی مانند اکتشافات فضایی چالش‌برانگیز می‌شود، جایی که تجهیزات باید جمع و جور، سبک و قابل اعتماد باشند.

محققان NC State می‌خواستند بررسی کنند که آیا لیزر می‌تواند یک راه حل ساده‌تر با ایجاد یک آنتن به طور مستقیم در هوای اطراف ارائه دهد یا خیر. به جای گسترش یا جمع کردن فیزیکی یک آنتن فلزی، ایده این بود که لیزر را تنظیم کنید تا یک پرتو پلاسما با طول مورد نظر تولید شود.

Darshni می‌گوید: «یکی از سوالاتی که می‌خواستیم با این کار بررسی کنیم این بود که آیا ایجاد آنتن‌های پلاسما با استفاده از لیزر امکان‌پذیر است یا خیر، که به ما امکان می‌دهد آنتن‌هایی را در هر طولی که نیاز داریم تولید کنیم. و ما اکنون نشان داده‌ایم که این امکان وجود دارد.

تبدیل پرتو لیزر به آنتن رادیویی

این رویکرد با هدایت لیزر از طریق هوا آغاز می‌شود. با کنترل دقیق توان و قطر پرتو لیزر، محققان می‌توانند یک منطقه باریک هوا را یونیزه کنند، الکترون‌ها را از اتم‌ها و مولکول‌ها جدا کرده و پلاسما تولید کنند.

پلاسما اغلب به عنوان چهارمین حالت ماده توصیف می‌شود، در کنار جامدات، مایعات و گازها. از آنجایی که حاوی ذرات باردار الکتریکی است، می‌تواند به روش‌هایی که هوای معمولی نمی‌تواند با میدان‌های الکترومغناطیسی تعامل داشته باشد.

در این آزمایش، لیزر یک کانال نازک و متمرکز پلاسما به نام رشته پلاسما تولید می‌کند. این رشته پایه آنتن را تشکیل می‌دهد.

با این حال، ایجاد یک پرتو پلاسما تنها بخشی از چالش بود. برای اینکه آن را به انتقال امواج رادیویی وادار کند، تیم به روشی برای تحویل یک سیگنال الکتریکی به پلاسما بدون تکیه بر یک اتصال فیزیکی معمولی نیاز داشت.

راه حل آنها یک فید آنتن غیر تماسی ویژه بود.

این سیستم از یک حلقه فلزی استفاده می‌کند که به عنوان خازن عمل می‌کند، مولفه‌ای که انرژی الکتریکی را در یک میدان الکتریکی ذخیره می‌کند. لیزر از مرکز حلقه عبور می‌کند و یک رشته پلاسما تولید می‌کند که از میدان الکترومغناطیسی اطراف خازن امتداد می‌یابد.

این ترتیب به محققان اجازه می‌دهد تا انرژی را به پلاسما بدون لمس فیزیکی آن منتقل کنند.

هنگامی که یک مولد فرکانس رادیویی سیگنالی را به خازن می‌فرستد، میدان الکترومغناطیسی حاصل با رشته پلاسما تعامل دارد. این تعامل باعث می‌شود که رشته امواج رادیویی را در فرکانس تأمین شده منتقل کند.

با استفاده از این روش، محققان با موفقیت انتقال رادیویی را در 30 مگاهرتز (MHz) در باند رادیویی فرکانس بسیار بالا (VHF) نشان دادند.

آنتنی که می‌تواند طول و جهت خود را تغییر دهد

یکی از امیدوارکننده‌ترین ویژگی‌های این فناوری، انعطاف‌پذیری بالقوه آن است. از آنجایی که آنتن توسط لیزر ایجاد می‌شود و نه از یک ساختار فلزی ثابت ساخته شده است، ابعاد آن را می‌توان با تغییر تنظیمات لیزر تنظیم کرد.

Darshni می‌گوید: «با کنترل پارامترهای لیزر، می‌توانید ویژگی‌های رشته پلاسما - از جمله طول آن را کنترل کنید.» این برای کاربردهایی که به آنتنی نیاز دارید که بتواند تمام فرکانس‌ها را اسکن کند، ارزشمند است. اما یک مزیت دیگر نیز وجود دارد.

Darshni می‌گوید: «همچنین کاربردهایی وجود دارد که کنترل زاویه آنتن مهم است، به منظور هدف قرار دادن جهت رادارهای یا بهبود قدرت سیگنالی که می‌خواهید دریافت کنید.» تکنیکی که ما در اینجا نشان داده‌ایم به کاربران امکان می‌دهد تا زاویه آنتن رشته پلاسما را از طریق هدایت پرتو - به سادگی تغییر جهت لیزر - کنترل کنند.

این قابلیت می‌تواند در سیستم‌هایی که نیاز به برقراری ارتباط در فرکانس‌های رادیویی مختلف یا هدایت سیگنال‌ها به مکان‌های خاص دارند، ارزشمند باشد.

آنتن‌های معمولی ممکن است به دستگاه‌های مکانیکی برای تغییر جهت خود نیاز داشته باشند. یک آنتن پلاسما تولید شده توسط لیزر می‌تواند به طور بالقوه تنظیمات مشابه را با هدایت خود پرتو لیزر انجام دهد و نیاز به قطعات متحرک را کاهش دهد.

اگرچه محققان نشان داده‌اند که رشته پلاسما می‌تواند امواج رادیویی را منتقل کند، اما توانایی آن در دریافت سیگنال‌ها و کار در طیف وسیعی از فرکانس‌ها هنوز باید آزمایش شود.

کاربردهای بالقوه در ماهواره‌ها و اکتشافات فضایی

محققان معتقدند که این فناوری در نهایت می‌تواند چندین هدف را برآورده کند، با ماهواره‌ها و اکتشافات فضایی در میان امیدوارکننده‌ترین احتمالات.

طراحان فضاپیما با محدودیت‌های سختگیرانه‌ای در مورد وزن و اندازه تجهیزاتی که می‌توانند پرتاب کنند، مواجه هستند. سیستم‌های آنتن سنتی همچنین می‌توانند به مکانیسم‌های استقرار پیچیده‌ای نیاز داشته باشند، به ویژه زمانی که ساختارهای بزرگ باید برای پرتاب تا شوند و پس از رسیدن به فضا گسترش یابند.

یک آنتن تولید شده توسط لیزر می‌تواند رویکرد متفاوتی ارائه دهد و به طور بالقوه به فضاپیماها اجازه دهد تا آنتن‌ها را ایجاد و تنظیم کنند بدون اینکه به همان نوع ساختارهای مکانیکی نیاز داشته باشند.

توانایی کار در فرکانس‌های رادیویی مختلف نیز می‌تواند برای ارتباطات فضاپیما و ابزارهای علمی مفید باشد.

Franzon می‌گوید: «در مدار پایین زمین، هوای کافی برای تشکیل پلاسما وجود دارد.»

در حالی که این نشان‌دهنده یک کاربرد احتمالی در جو رقیق اطراف زمین است، این فناوری هنوز در یک مرحله آزمایشی اولیه قرار دارد. تحقیقات بیشتری برای تعیین اینکه آیا آنتن‌های پلاسما تولید شده توسط لیزر می‌توانند به طور موثر در شرایط فضایی واقعی کار کنند یا خیر، مورد نیاز است.

اولین نمایش موفقیت‌آمیز راه را برای تحقیقات بیشتر باز می‌کند

در حال حاضر، محققان دستاورد خود را به عنوان یک اثبات مفهوم مهم می‌بینند. آنها نشان داده‌اند که یک لیزر می‌تواند یک رشته پلاسما ایجاد کند که به عنوان یک آنتن انتقال عمل می‌کند و پایه‌ای برای بهبودهای آینده ایجاد می‌کند.

Darshni می‌گوید: «این اولین قدم است، اما یک قدم بزرگ است - اولین باری است که کسی نشان داده است که آنتن‌های رشته پلاسما می‌توانند کار کنند.» اکنون که نشان داده‌ایم که این امکان وجود دارد، می‌توانیم شروع به بهبود عملکرد آن کنیم.

یافته‌ها در مقاله دسترسی باز، «آنتن رشته پلاسما القایی لیزر انتقال VHF 30 مگاهرتز»، منتشر شده در مجله IEEE Journal of Microwaves شرح داده شده است.

Arthur Dogariu، وابسته به دانشگاه A&M تگزاس و دانشگاه پرینستون، نویسنده مشترک این تحقیق بود و در اندازه‌گیری‌های تجربی مشارکت داشت.

تیم تحقیقاتی همچنین از Chris Hewett، Byron Goode و Joe McElveen از فروشگاه ابزار NC State برای ابتکار عمل آنها در ساخت اجزای مورد استفاده در آزمایش‌ها قدردانی کرد.