Многофункциональная плазменная голографическая антенна рода для фокусировки в ближнем/дальнем поле с использованием одной структуры

Более чёткие беспроводные лучи для повседневных технологий

От сканеров безопасности в аэропортах до спутникового интернета и даже потенциальных методов лечения рака — многие современные системы зависят от антенн, которые способны точно излучать и принимать радиоволны. В этой работе предложен новый тип плоской плазменной антенны, которая может как фокусировать энергию в маленькую точку вблизи, так и формировать мощные управляемые лучи на большие расстояния, используя одну компактную поверхность. Такое сочетание гибкости и мощности может сделать будущие беспроводные устройства более точными, адаптивными и менее заметными, когда они не используются.

Почему важна фокусировка радиоволн

Микроволновая визуализация и сенсоры используют высокочастотные радиоволны, чтобы «видеть» внутри материалов, находить скрытые объекты или контролировать ткани человека без вскрытия или контакта. Для получения чётких изображений или безопасной доставки энергии в небольшой участок требуется, чтобы антенны концентрировали волны как лупа концентрирует солнечный свет, либо направляли узкие лучи в заданные направления. Традиционные антенные решётки добиваются этого с помощью многих металлических элементов и сложной проводки, что делает их громоздкими, дорогими и медленно перенастраиваемыми. Авторы исследуют иной путь: использование плазмы — газа, превращённого в электрически активное состояние — для создания лёгкой перенастраиваемой поверхности, которая в реальном времени может изменять свойства отражения волн.

Плоский экран из управляемой плазмы

В основе конструкции лежит квадратная панель из 441 небольших кольцевых стеклянных трубок, заполненных инертным газом, например аргоном. При приложении напряжения газ переходит в плазму и ведёт себя отчасти как металл: его отражающие свойства можно плавно настраивать от сильно отражающего до почти прозрачного, меняя плотность электронов. Две такие проработанные плазменные поверхности установлены спиной к спине, разделённые металлическим листом, и освещаются простыми рупорными антеннами, подающими микроволновую энергию на частоте 10 ГГц. Тщательно управляя состоянием плазмы в каждом кольце, поверхность действует как «голографическое зеркало», формирующее, как волны покидают панель. Вместо механического перемещения частей антенна изменяет своё поведение электронно путём регулировки напряжений.

Управление и расщепление лучей в дальнем поле

По результатам компьютерного моделирования исследователи показывают, что при активации одной поверхности эта плазменная панель может формировать очень узкий главный луч, направленный перпендикулярно поверхности, либо сканировать его по широкому углу. Антенна обеспечивает высокий коэффициент усиления — по сути, насколько сильно она излучает в выбранном направлении — примерно 28,7 дБи при нацеливании прямо вперёд и сохраняет полезную мощность при углах до 40 градусов. Потери остаются умеренными несмотря на использование плазмы, а боковые лепестки и обратное излучение удерживаются на разумно низком уровне для такой компактной структуры размером 31,5 см на 31,5 см. Размещая элементы в шахматном порядке и задавая различное состояние плазмы для чередующихся ячеек, та же поверхность может одновременно формировать два отдельных луча под разными углами, а активация обеих сторон конструкции может генерировать встречные двойные лучи, эффективно обслуживая нескольких пользователей или регионы одновременно.

Точная наводка в ближнем поле

Помимо дальних связей, антенна также фокусирует энергию в точную область чуть более чем за полметра перед своей поверхностью. Для этого команда рассчитывает дополнительную фазовую задержку для каждого элемента так, чтобы все отражённые волны сходились в фазе в выбранной точке, подобно тому как толпа синхронно хлопает в ладоши. Программируя такой профиль в состояниях плазмы, панель формирует волновой фронт, сходящийся в «пузырь» энергии. Получившаяся фокусная точка имеет размер всего в несколько сантиметров — примерно 3,25 см на 3,75 см — с значительно меньшими утечками вокруг по сравнению с нефокусированным вариантом, что критично для безопасной концентрации мощности в медицинской терапии или при инспекции мелких зон внутри конструкций. Примечательно, что система может сдвигать этот фокус в сторону без каких-либо движущихся частей и, при использовании обеих поверхностей одновременно, может фокусироваться на близком расстоянии, одновременно направляя мощный луч в дальнее поле.

Что это значит для будущих систем

Исследование демонстрирует, что одна плоская плазменная голографическая антенна может заменить несколько специализированных устройств, предлагая в одной перенастраиваемой платформе управление лучом в дальнем поле, работу с несколькими лучами и острую фокусировку в ближнем поле. Поскольку плазменные трубки можно выключать и они становятся практически невидимыми для падающих волн, такая конструкция может быть менее заметна для радаров по сравнению с традиционными металлическими антеннами. Благодаря способности электронно менять распределение энергии — будь то точка в теле, несколько пользователей в космосе или разные промышленные цели — эта технология указывает путь к более манёвренным, компактным и скрытным беспроводным системам для медицинского лечения, спутниковой связи и передовых радаров.

Цитирование: Eltresy, N.A., Malhat, H.A., Deen, S.Z. et al. Multifunction plasma genus holographic antenna for near/far-field focusing using a single structure. Sci Rep 16, 12854 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47001-y

Ключевые слова: плазменная антенна, управление лучом, фокусировка в ближнем поле, голографический отражательный массив, микроволновая визуализация