Amerikaanse onderzoekers bouwen antenne uit laserlicht en lucht

Een antenne is normaal gesproken een stuk metaal met een vaste lengte, afgestemd op een bepaalde frequentie. Dat werkt goed op aarde, maar is lastig voor toepassingen waarbij de ideale antennelengte steeds verandert, zoals bij ruimtevaart. Onderzoekers van North Carolina State University laten nu zien dat het ook anders kan: met een laser die lucht ioniseert, ontstaat een dunne, geleidende kolom genaamd een plasmafilament. Die kolom werkt als antenne en zond radiogolven uit op 30 MHz, in het zogeheten VHF-gebied. Het resultaat is gepubliceerd in het IEEE Journal of Microwaves.

"De plasmabundelantenne ziet eruit als een lichtzwaard en is afstembaar," zegt eerste auteur Prya Darshni, promovenda aan NC State. "We moeten in staat zijn om over een breed frequentiebereik te zenden." Ontvangst is nog niet aangetoond, maar de onderzoekers zien geen fysieke reden waarom dat niet zou werken.

Lucht als antenne, laser als bouwer

Het grote voordeel van een lichtgevormde antenne is flexibiliteit. Bij een metalen antenne moet je fysiek iets verschuiven of uitschuiven om de lengte aan te passen. Bij een plasmafilament bepaalt simpelweg het vermogen en de diameter van de laserstraal hoe lang de geleidende kolom wordt. Daarmee kun je in principe elke gewenste frequentie bereiken zonder mechanische onderdelen, wat vooral waardevol is in de ruimte waar bewegende mechanismen snel kunnen vastlopen of slijten.

Om de plasmakolom daadwerkelijk een radiosignaal te kunnen laten uitzenden, moest er een manier zijn om de antenne aan te sluiten zonder hem aan te raken. Dat loste het team op met een metalen ring die als condensator werkt. De laser schiet dwars door de ring, waarna het ontstane plasmafilament wordt omringd door een elektromagnetisch veld. Een radiofrequentiegenerator stuurt het signaal naar die ring, die het veld opwekt dat de plasmakolom aan het zenden zet. Deze contactloze antennevoeding voorkomt dat er fysiek contact nodig is met het snel bewegende en kortstondige plasma.

Sturen door simpelweg te schuiven met de laser

Omdat de eigenschappen van het plasmafilament volledig afhangen van de laserinstellingen, kan ook de richting van de antenne worden aangepast. In plaats van een schotel of antenne mechanisch te draaien, verschuift het systeem gewoon de laserstraal, een vorm van beam steering die doet denken aan de manier waarop een phased-array-antenne een signaal stuurt zonder te bewegen. Dat is bijvoorbeeld bruikbaar om een radarbundel te richten of een signaal te versterken.

Volgens co-auteur Paul Franzon, hoogleraar elektrotechniek aan NC State, is vooral de ruimtevaart een interessant toepassingsgebied. "In een lage baan om de aarde is er nog genoeg lucht om plasma te vormen," zegt hij. Dat zou satellieten en andere ruimtevaartuigen in staat kunnen stellen antennes te gebruiken die zich zonder uitklapbare delen aanpassen aan de gewenste frequentie, iets wat relevant kan worden voor toekomstige satelliet-constellaties. De onderzoekers benadrukken dat dit een eerste, voorzichtige stap is. Nu de werking is bewezen, willen ze de prestaties van het systeem verder verbeteren.