Bilim insanları ışın kılıcına benzeyen yeni bir anten gösterdi. Cihaz geleneksel metal yapı yerine lazeri kullanarak radyo dalgası gönderebilen ayarlanabilir bir plazma huzmesi oluşturuyor. Teknoloji, antenlerin boyunu ve yönünü isteğe göre değiştirmesine olanak tanıyarak kablosuz haberleşmeyi değiştirebilir; uydu, radar ve uzay keşfinde umut verici uygulamaları var.
Bilim insanları ışın kılıcına oldukça benzeyen yeni bir radyo anteni türünü gösterdi. Cihaz geleneksel metal yapı kullanmıyor; radyo dalgası gönderebilen dar bir plazma huzmesini oluşturmak için lazerden yararlanıyor.
Teknoloji sonunda boyu ve yönü isteğe göre değişen antenlerin üretilmesini sağlayabilir. Bu durum kablosuz haberleşme, radar, uydu ve uzay keşfi için yeni olanaklar açıyor.
“Plazma huzmesi anteni ışın kılıcı gibi görünüyor ve ayarlanabilir; geniş bir frekans aralığında iletim yapabilmemiz gerekiyor” diyor, çalışmayla ilgili makalenin yazarı ve North Carolina State University’de doktora öğrencisi Prya Darshni. “Radyo sinyali alabilme yeteneğini henüz göstermedik ama alıcı olarak da çalışmayacağına dair bir neden görmüyorum.”
“Karmaşık mekanik açma mekanizmalarına gerek kalmadan özelleştirilmiş bir antene sahip olmayı sağlayan heyecan verici yeni bir kavram” diyor, makalenin ortak yazarı ve NC State’de Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Cirrus Logic Seçkin Profesörü Paul Franzon.
Plazmadan Anten Yapma Nedeni
Geleneksel antenler fiziksel boyutlarına büyük ölçüde bağlıdır. Özellikle bir antenin uzunluğu verimli şekilde iletebileceği veya alabileceği radyo frekanslarını belirlemeye yardımcı olur. Bu uzunluğu değiştirmek antenin farklı frekanslarda çalışmasını sağlayabilir ancak bu ayarlamalar genellikle hareketli mekanik bileşenler veya karmaşık mühendislik gerektirir.
Bu durum ekipmanın kompakt, hafif ve güvenilir olması gereken uzay keşfi gibi uygulamalarda özellikle zorlaşır.
NC State araştırmacıları bir lazerin çevredeki havada doğrudan anten oluşturmak için daha basit bir çözüm sunup sunamayacağını araştırmak istedi. Metal bir anteni fiziksel olarak uzatmak veya geri çekmek yerine, fikri lazeri istenen uzunlukta bir plazma huzmesi üretmesi için ayarlamak üzerine kuruluydu.
“Bu çalışmayla plazma antenlerini lazer kullanarak oluşturmanın mümkün olup olmadığını araştırmak istedik; bu sayede anteni ihtiyaç duyulan uzunlukta üretebiliriz” diyor Darshni. “Ve bunun mümkün olduğunu gösterdik.”
Lazer Hüzmesini Radyo Anteni Haline Getirmek
Yöntem hava boyunca yönlendirilen bir lazerle başlıyor. Araştırmacılar lazerin gücünü ve hüzme çapını dikkatle kontrol ederek havanın dar bir bölgesini iyonize edebiliyor, atom ve moleküllerden elektronları kopararak plazma üretiyor.
Plazma genellikle katı, sıvı ve gazların yanında maddenin dördüncü hali olarak tanımlanır. Elektriksel olarak yüklü parçacıklar içerdiği için sıradan havanın yapamadığı şekilde elektromanyetik alanlarla etkileşime girebilir.
Bu deneyde lazer, plazma filament adı verilen ince ve yoğun bir plazma kanalı üretiyor. Bu filament antenin temelini oluşturuyor.
Plazma huzmesi oluşturmak zorluğun yalnızca bir kısmıydı. Ekip onu geleneksel fiziksel bağlantıya dayanmadan radyo sinyalini plazmaya iletecek bir yol da bulmak zorundaydı.
Çözümleri özel tasarlanmış temassız bir anten beslemesiydi.
Sistem, elektrik enerjisini elektrik alanında depolayan bir bileşen olan kapasitör işlevi gören metal bir halka kullanıyor. Lazer halkanın merkezinden geçiyor ve kapasitörün çevresindeki elektromanyetik alan boyunca uzanan bir plazma filament üretiyor.
Bu düzenleme araştırmacıların plazmaya fiziksel olarak dokunmadan enerji aktarmasına olanak tanıyor.
Radyo frekansı üreteci sinyali kapasitöre gönderdiğinde oluşan elektromanyetik alan plazma filamentiyle etkileşime giriyor. Bu etkileşim filamentin sağlanan frekansta radyo dalgası göndermesine neden oluyor.
Bu yöntemle araştırmacılar 30 megahertz frekansında radyo iletimini başarıyla gösterdi; bu değer çok yüksek frekans VHF radyo bandı içinde yer alıyor.
Uzunluğu ve Yönü Değişebilen Bir Anten
Teknolojinin en umut verici özelliklerinden biri potansiyel esnekliği. Anten sabit bir metal yapıdan inşa edilmediği için lazer ayarları değiştirilerek boyutları ayarlanabiliyor.
“Lazer parametrelerini kontrol ederek plazma filamentinin özelliklerini, uzunluğunu da dahil olmak üzere kontrol edebilirsiniz” diyor Darshni. “Bu, antenin tüm frekansları taraması gereken uygulamalar için değerli. Ama başka bir yararı da var.”
“Radar taramalarının yönünü hedeflemek veya alınmak istenen sinyalin gücünü artırmak için anten açısını kontrol edebilmenin önemli olduğu uygulamalar da var” diyor Darshni. “Burada gösterdiğimiz teknik, plazma filament anteninin açısını lazer hüzmesini yönlendirerek kontrol etmemizi sağlar; yani lazerin yönünü basitçe kaydırırız.”
Bu yetenek farklı radyo frekansları üzerinden haberleşme ihtiyacı duyan veya sinyalleri belirli konumlara yönlendirmek isteyen sistemler için değerli olabilir.
Geleneksel antenler yönlerini değiştirmek için mekanik cihazlar gerektirebilir. Lazerle üretilen bir plazma anteni benzer ayarlamaları lazer hüzmesini yönlendirerek gerçekleştirebilir ve hareketli parçalara olan ihtiyacı azaltabilir.
Araştırmacılar plazma filamentinin radyo dalgası gönderebildiğini gösterse de sinyal alma yeteneği ve geniş bir frekans aralığında çalışması hâlâ test edilmesi gerekiyor.
Uydu ve Uzay Keşfinde Potansiyel Uygulamalar
Araştırmacılar teknolojinin sonunda çeşitli amaçlara hizmet edebileceğini düşünüyor; uydu ve uzay keşfi en umut verici olanaklar arasında.
Uzay aracı tasarımcıları fırlatabilecekleri ekipmanın ağırlık ve boyutuyla ilgili sıkı sınırlarla karşı karşıya. Geleneksel anten sistemleri özellikle büyük yapılar fırlatma için katlanıp uzaya ulaştıktan sonra açılması gerektiğinde karmaşık açma mekanizmaları gerektirebilir.
Lazerle üretilen bir anten farklı bir yaklaşım sunabilir ve uzay araçlarının aynı tür mekanik yapıları taşımadan anten oluşturmasına ve ayarlamasına olanak tanıyabilir.
Farklı radyo frekanslarında çalışabilme yeteneği uzay aracı haberleşmesi ve bilimsel aletler için de faydalı olabilir.
“Düşük Dünya yörüngesinde plazma oluşturmak için yeterli hava var” diyor Franzon.
Bu durum Dünya çevresindeki ince atmosferde olası bir uygulamaya işaret etse de teknoloji hâlâ erken deneysel aşamada. Lazerle üretilen plazma antenlerinin gerçek uzay koşullarında ne kadar etkili çalışabileceğinin belirlenmesi için ek araştırmaya ihtiyaç var.
İlk Başarılı Gösterim Daha Fazla Araştırmaya Kapı Açıyor
Şimdilik araştırmacılar başarılarını önemli bir kanıt kavramı olarak görüyor. Bir lazerin iletim anteni olarak işlev gören bir plazma filament üretebileceğini gösterdiler ve bu da gelecekteki iyileştirmeler için bir temel oluşturuyor.
“Bu ilk adım ama büyük bir adım; plazma filament antenlerinin çalışabileceğini kimsenin hiç göstermediği ilk kez” diyor Darshni. “Mümkün olduğunu gösterdiğimize göre performansını geliştirmeye başlayabiliriz.”
Bulgular açık erişimli makale “Laser-Induced-Plasma-Filament Antenna Transmitting 30 MHz VHF”te anlatılıyor ve IEEE Journal of Microwaves dergisinde yayımlandı.
Texas A&M University ve Princeton University ile ilişkili Arthur Dogariu araştırmaya ortak yazar olarak katıldı ve deneysel ölçümlere katkıda bulundu.
Araştırma ekibi ayrıca deneylerde kullanılan bileşenlerin üretimindeki yaratıcılıkları için NC State Instrument Shop’tan Chris Hewett, Byron Goode ve Joe McElveen’e teşekkür etti.
