用于近/远场聚焦的多功能等离子体类全息天线，采用单一结构

为日常技术带来更清晰的无线波束

从机场安检扫描仪到卫星互联网，甚至未来的癌症治疗，许多现代系统都依赖能够精确发射和接收电磁波的天线。本文提出了一种新型平面等离子体天线，能够用同一紧凑的表面在近距离将能量聚焦到极小的点上，同时向远处发送强而可控的波束。这种灵活性与能量密度的结合，可能使未来的无线设备更精确、更适应环境，并在不使用时更易于隐藏。

为什么聚焦无线电波很重要

微波成像与传感利用高频电磁波“透视”材料、发现隐蔽物或在不切割、不接触的情况下监测人体组织。为了产生清晰的图像或将能量安全地传递到小区域，工程师希望天线像放大镜聚光阳光一样集中波束，或将窄波束指向特定方向。传统的天线阵列依靠大量金属元件和复杂布线来实现这些功能，体积大、成本高且调整速度慢。作者探索了一条不同的路线：利用等离子体——被激发为带电状态的气体——来制造一种轻量且可重构的表面，实时改变其对波的反射特性。

可控等离子体的平面屏

设计的核心是一块由441个微小环形玻璃管组成的方形面板，管内充入氩等惰性气体。当施加电压时，气体变为等离子体，其行为在一定程度上类似于可通过调节电子密度在高度反射与近乎透明之间平滑变化的金属。这两个图案化的等离子体表面背靠背安装，中间隔着一块金属板，并由简单的喇叭天线以10 GHz频率照射微波能量。通过精细控制每个环的等离子体状态，表面像一个“全息镜”一样塑造离开面板的波前。天线不依赖机械运动，而是通过调节电压电子化地改变其工作模式。

远场的波束扫描与分裂

通过计算机模拟，研究人员表明，当仅启用一侧表面时，该等离子体面板可以形成非常窄的主瓣，指向正前方，或将其在较宽角度范围内扫描。该天线在正向指向时可达到约28.7 dBi的高增益——即在目标方向上辐射的强度——并在偏离多达40度的角度上仍保持有用的辐射强度。尽管采用了等离子体，损耗保持在中等水平，且对于如此紧凑的31.5 cm × 31.5 cm结构，旁瓣和后向辐射也被控制在合理范围。通过将单元按棋盘格排列并为交替单元分配不同的等离子体设置，同一表面可以同时在不同角度形成两个独立波束；当启用结构的双面时，还能在相反方向上生成对称双束，有效地同时服务于多个用户或区域。

近场的精确瞄准

除了远程链路外，该天线还能将能量聚焦到面板正前方半米多一点的精确点。为此，团队计算出每个单元需要额外的相位延迟量，使所有反射波在选定点上同步到达，就像让人群齐声鼓掌达到完美节拍。通过将该相位模式写入等离子体状态，面板将波前塑造成一个汇聚的“能量泡”。所得焦点仅有几厘米宽——约3.25 cm × 3.75 cm——且周围的泄漏远低于未聚焦的情况，这对于在医疗治疗中安全集中能量或检查结构内部的微小区域至关重要。值得注意的是，系统可在无需任何机械移动的情况下将焦点偏向一侧，并且在双面同时工作时，可在近场聚焦的同时向远场发射强波束。

对未来系统的意义

该研究表明，一种单一的平面等离子体全息天线能够通过在一个可重构平台上提供远场波束控制、多波束操作和锐利的近场聚焦，替代多种专用设备。因为等离子体管在关闭时对入射波几乎不可见，该结构相较于传统金属天线可能更不易被雷达探测。凭借其电子化重塑能量去向的能力——无论是对身体的精确点、太空中的若干用户，还是不同的工业目标——该技术指向更机动、紧凑且具隐身特性的无线系统，适用于医疗治疗、卫星通信和先进雷达等领域。

引用: 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

关键词: 等离子体天线, 波束控制, 近场聚焦, 全息反射阵列, 微波成像