Сегодня мы поговорим о любопытном типе антенн, очень далёком от обычных, к которым мы привыкли, потому что у неё физические металлические элементы отсутствуют, но, тем не менее, сама антенна работает! 

Такой тип антенн называется "плазменным" и обладает рядом очень интересных свойств... 

Мы привыкли, что словом "антенна", называется конструкция, из токопроводящего материала, как правило металла, в некоторых случаях, достаточно габаритная. 

Однако, "плазменные" антенны позволяют взглянуть на саму суть понятия антенны несколько иначе, так как, в какой-то момент, инженеры решили: "а что, если, в качестве антенны будет выступать плазма?!"

Мысль, на первый взгляд, довольно странная, но, тем не менее, почему бы и нет: плазма имеет очень высокую электропроводность*, благодаря чему, сигналы могут проходить сквозь её, а сама она при этом выступает как возбуждаемый элемент!

*Которая, тем не менее, всё равно уступает металлам: электропроводность плазмы колеблется, и, у лучших образцов (импульсный разряд) всё равно будет где-то в 100 раз меньше, чем у металлов — зависит это от плотности электронов в плазме  — поэтому, электропроводность у ещё более разряжённых видов плазмы (ионосфера Земли, разряд в неоновой трубке и т.д.) — может быть ещё меньше, иногда даже в сотни тысяч раз.

Несмотря на то, что в данный момент активно ведутся работы в этом направлении, сама эта затея относится аж к началу к 20 века, когда она впервые и пришла в голову американскому изобретателю Дж.Хеттингеру, который, по итогам своих разработок в 1919 году получил патент на это изобретение. 

Что он предлагал в этом документе: берётся стеклянная трубка, которая заполняется разряжёнными парами ртути или газом (предполагалось использовать неон). 

Далее, концы трубки снабжаются электродами, к которым подключается высоковольтный источник питания (например, катушка Румкорфа).

Вот и всё – антенна готова! Теперь, как это работает?

Передача

Если подать импульс высокого напряжения на газоразрядную трубку, то произойдёт ионизация газа, что превратит его в антенный элемент. 

Теперь, этот антенный элемент можно использовать, в целях как передачи сигнала, так и его приёма, для чего можно применить несколько способов:

• Модуляция с помощью амплитуды;

• Модуляция с помощью изменений частоты.

Это группа способов хороша тем, что может быть достаточно просто реализована, например, с помощью изменения тока разряда, который, в свою очередь, что, в свою очередь, может быть реализовано через широтно-импульсную модуляцию или переменное сопротивление. 

Очевидным плюсом является также и то, что плазма при этом способе возникает и исчезает моментально, а стеклянная трубка становится прозрачной для радиоволн, — таким образом, антенна не может быть обнаружена противником (как вариант).

 Тем не менее, у этого способа есть и свои очевидные минусы:

• Большая часть энергии питания тратится на нагрев, поэтому, соответственно, требуется мощный источник питания;

• Из-за своей инерционности, не может работать на высоких частотах.

Альтернативой этой группе способов является модуляция с помощью подачи высокочастотного сигнала на плазму: для зажигания и удержания плазмы используется один источник питания, а дополнительно к нему, на плазму подаётся и высокочастотный сигнал, заставляя плазму колебаться и излучать радиоволны. 

Этот способ является более эффективным по КПД, если сравнивать его с первой группой способов, так как вся энергия в нём идёт на передачу; кроме того, с его помощью можно передавать на высоких частотах (СВЧ), что было бы недоступно ранее. 

Однако, не бывает слишком хорошо: этот способ несколько более сложный, чем предыдущие, так как необходимо параллельно поддерживать питание плазмы, и, одновременно, из другого источника подавать сигнал. 

Также, из-за постоянного горения столба плазмы, этот способ испытывает проблемы с перегревом плазмы, что приводит к "уплыванию" частоты и падению мощности (перегрев уменьшает электропроводность за счёт  термической диссоциации молекул, на что уходит энергия питания, а также, более частых столкновений нагретых, ускорившихся частиц со стенками, благодаря чему они охлаждаются, теряя энергию), поэтому требуются схемы обратной связи для корректировки этого момента (ПИД-регуляция и охлаждение).

Приём

Для приёма сигнала с помощью такой антенны требуется детектировать колебания плазмы, то есть, изменения электрического сигнала, которые производят эти колебания.

На тот момент, в 1919 году (когда впервые и появилась идея о таком плазменном устройстве) было достаточно затруднительно реализовать что приём, что передачу с помощью подобных антенн, так как ещё не существовало достаточно мощных и компактных генераторов сигнала, а также усилителей, но на настоящий момент, всё это стало абсолютно реальным, благодаря чему и стало возможным обратиться к этой забытой конструкции вновь, так как она обладает рядом очевидных и весьма привлекательных свойств:

• Как выше уже было сказано, выключенная антенна не может быть обнаружена радиолокационными системами, в виду своей радиопрозрачности;

• Может работать в очень широком диапазоне частот без необходимости внесения каких-либо механических изменений в конструкцию антенны;

• Весьма устойчива к мощным электромагнитным импульсам (если сравнивать с металлическими антеннами): как это ни странно, несмотря на свою электропроводность, плазменная антенна очень малочувствительна к электромагнитным импульсам (почему – об этом подробнее ниже).

Основной причиной устойчивости плазменной антенны к мощным электромагнитным импульсам — является отсутствие чёткой структуры, из за чего невозможно навестись поверхностным токам (просто нет самой поверхности) — где, в случае металлических антенн, такие токи могут даже привести к разрушению антенны, за счёт её расплавления; здесь же сама газообразная конструкция антенны эффективно отводит тепло, рассеивая его по всему объёму ионизированного газа и излучая наружу (что довольно затруднительно в случае металлов). 

Кроме этого, наблюдаются и интересные эффекты: так как плазма обладает нелинейной вольт-амперной характеристикой, то, в случае слабых полей, она выступает в роли изолятора, а при повышении напряжённости поля — происходит ионизация, с насыщением в определённый момент, что препятствует бесконечному росту тока*.

*Выше мы уже говорили об этом, — о потере электропроводности из-за перегрева), что выступает своеобразным предохранителем, защищающим антенну от излишней нагрузки.

Нельзя сказать, что этот эффект напрямую относится к нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ), так как нелинейность ВАХ берёт начало из физических свойств самой плазмы, однако эффекты косвенно связанные.

Кстати говоря здесь возникает ещё один интересный момент: именно благодаря своей сопротивляемости большим нагрузкам, плазменная антенна позволяет выступать в качестве антенны, которая физически может принимать достаточно большие мощности на вход (что могло бы привести к разрушению металлической соизмеримой антенны, если бы её делать из относительно лёгких, тонких материалов, например, из тонкой проволочки): известны примеры, когда подобная плазменная антенна принимала на вход даже 20 МВт, без каких-либо последствий для себя, в то время как медный аналог испарился бы моментально! 

Кроме того, наблюдается и эффект возникновения вторичной плазмы вокруг основной, возникающей при мощном электромагнитном импульсе, и эта вторичная плазма... выступает в роли своеобразного изолирующего зеркала, отражающего часть излучения! 

Выше в перечислении мы не сказали и ещё об одном важном преимуществе такого типа плазменных антенн: они имеют весьма малый вес, по сравнению с металлическими аналогами, причём, в некоторых случаях, эта разница может быть даже весьма поразительной (об этом ниже). 

Ещё в 1960-е  годы начали проводиться первые эксперименты с ионизацией воздуха лазерным лучом — таким образом, такая плазменная антенна даже не требовала газоразрядной трубки, представляя собой просто столб ионизированного атмосферного воздуха, весьма продолжительной длины: в ходе экспериментов использовался импульсный CO2-лазер, с длиной волны 10,6 мкм, который давал импульсы до 100 нс продолжительностью и с частотой до 100 Гц.

В пересчёте на мощность современных лазеров, он был выходной мощностью в диапазоне 100-1000 Вт. 

В результате экспериментов уверенно создавался ионизированный канал из атмосферного воздуха, длиной до 10 м, позволяющий как принимать, так и передавать информацию — где при этом, использовалась гибридная схема, описанная выше: лазер служил для создания токопроводящего канала, по которому отдельный, высокочастотный генератор уже и пускал модулирующий сигнал: во избежание разрушения элементов генератора плазмой — применялся бесконтактный способ,  индукционный, с катушкой вокруг основания луча или ёмкостной, с электродами около луча. 

Антенна позволяла передавать на частоте вплоть до 10 ГГц.

Однако, с лазерами далеко не всё так просто, так как атмосферная турбулентность постоянно разрушает ионизированный канал, и, на первый взгляд, можно было бы подумать, прочитав информацию выше о сверхкоротких импульсах, что в течение такой продолжительности импульса (наносекунды), движениями атмосферы можно пренебречь (они будут стремиться к нулю), однако, на практике, было выявлено, что требуется продолжительность передачи хотя бы в миллисекунды, чтобы произошла синхронизация приёмника и передатчика; кроме того, сверхкороткие импульсы слишком сильно зашумляются.

Учитывая то, что эти эксперименты проводились в 60-е годы, думается, что они опирались на существующую аппаратную базу, которая, в наши дни, могла бы работать на более высоких скоростях для синхронизации и, по идее, смогла бы то, что было невозможно в 60-е.

Также, для формирования собственно плазменного канала, требуется достаточно большая мощность лазера, в среднем, в 100 раз более высокая, чем, непосредственно мощность самого передатчика, что заставляет задуматься о целесообразности такой антенны, учитывая, что формируется антенна всего до 10 м длиной.

Тем не менее, в настоящий момент экспериментируют с ещё более интересным направлением применения лазеров — для создания плазменных каналов в толще ионосферы, где на высоте до 500 км, мощные УФ лазеры (248 нм) образуют область плазмы, диаметром до 10 м и длиной до 100 км, которая выступает как расположенное очень высоко зеркало, после чего, с помощью СВЧ передатчика, на это зеркало направляют радиосигнал, который отражается от него под нужным углом, в нужном направлении (на станцию-приёмник на Земле, как пример).

Можно было бы подумать, а зачем ионизировать ионосферу, так как она же вроде бы и так уже ионизирована, — но смысл есть: так как лазер позволяет создавать гораздо более плотную ионизированную область.

Несмотря на привлекательность, у этого способа также есть свои очевидные минусы: где главным из них является энергозатратность, так как лазер такого класса потребляет мегаваттные мощности; также вносит свои помехи и атмосфера Земли с её магнитным полем. 

О плазменных антеннах не так много информации в сети, но есть интересное видео, где показываются такие устройства в работе. Как можно видеть, эти антенны сделаны из очень простых штук — электролюминесцентных ламп дневного света (кто не понимает английский, — один из браузеров поддерживает синхронный голосовой перевод на русский):

Твердотельные плазменные антенны

Ознакомившись со всем вышесказанным, может сложиться впечатление, что "плазменная антенна" — это только и исключительно ионизированный газовый канал в газоразрядной трубке или в воздухе.

Но, что вы скажете насчёт твердотельной плазменной антенны?!:-)

Да, как ни странно такие есть: первые упоминания о таких устройствах относятся к началу 2010 годов, когда ряд компаний начали патентовать подобные устройства, с целью создать микроантенны из плазмы, прямо внутри чипов, где основной идеей подобных устройств было создание миниатюрной антенной конструкции, с возможностью динамического изменения частоты (кроме того, металлический аналог для частот в десятки ГГц был бы существенно больше в размерах). 

В таких конструкциях, в среднем, формируется образуется антенна, длиной до 100 мкм, прямо внутри чипа, где плазма представлена электронно-дырочным типом (ведутся дискуссии, насколько корректно называть это собственно "плазмой" и на этот счёт есть разные мнения).

Питается это устройство подачей напряжения в 5...12 В, где изменение напряжения приводит к соответствующему изменению плотности плазмы, и, в результате, к изменению частоты передачи/приёма, причём такое изменение, происходит с огромной частотой: металлический аналог переключался бы с частотой в миллисекунды, а эта изменяет частоту со скоростью в наносекунды. 

В итоге, устройство получается универсальным, очень маленьким, и хорошо интегрируется: известно, что подобные антенны встраиваются в чипы, как минимум, некоторых 5G-модемов. 

Завершая, хочется сказать, что инженеры постоянно работают над новыми направлениями, где смекалка позволяет взглянуть на привычные вещи — под новым, неожиданным углом, где замена плазмой привычной металлической конструкции — лишь один из примеров в череде интересных подходов, что уже даёт людям новые интересные возможности…