플라즈마 안테나의 새로운 기술 디자인은 전력 효율성, 재구성 가능성, 소형화, 휴대성 및 연장된 수명과 같은 모든 성능 기능을 만족한다.
플라즈마 안테나는 현재 개발 중인 무선 안테나의 일종으로 기존 안테나의 금속 요소를 플라즈마로 대체한다.
플라즈마 안테나의 일종인 가스 플라즈마 안테나는 금속 원소 대신 방전관을 사용한다. 전류가 튜브를 통해 흐르면 가스가 부분적으로 또는 완전히 플라즈마로 이온화되고 전도성이 되어 거울 역할을 하여 결국 신호를 송수신한다.
플라즈마 주파수 이상에서 플라즈마 안테나는 전자기파의 큰 대역폭에 대해 사실상 투명하며 시스템의 전원이 꺼지고 가스가 탈이온화될 때 보이지 않게 된다.
기존의 안테나 설계와 달리 플라즈마 설계는 임피던스, 주파수, 대역폭 및 지향성과 관련하여 마이크로초에서 밀리초까지 확장되는 시간 규모에 대해 전기적으로(기계적으로가 아니라) 재구성될 수 있다. 다른 주파수에서 작동하도록 가스 플라즈마 안테나 어레이를 적층하는 것도 가능하다.
플라즈마는 전기 전도성이 매우 높아 다양한 유형의 무선 신호를 수신, 방향 및 전송하는 데 도움이 된다. 이 기술은 많은 고유한 장점을 자랑하지만 성능 개선의 여지는 항상 있으며, 이것이 EU 자금 지원 PATH 프로젝트의 연구원들이 달성한 것이다.
“플라즈마 소스의 성능을 향상시키려면 모델링 및 기술 측면에서 강력한 노력이 필요하다. 현재 플라즈마 소스의 밀도 한계를 극복하면 여러 기술 분야에서 다양한 새로운 응용 분야가 열릴 것이다”라고 Alma Sistemi의 프로젝트 조정자이자 CEO인 Alessio Di Iorio는 말한다.
하이브리드 소스 개념 테스트
연구원들은 먼저 두 가지 유형의 플라즈마 소스를 개발했다. 하나는 소형 무선 주파수이고 다른 하나는 높은 플라즈마 밀도와 더 긴 수명의 안테나를 허용하는 중공 음극 hollow cathode이다. 두 플라즈마 소스의 상세한 물리적 모델은 플라즈마와 전자기 복사 사이의 상호 작용을 설명한다.
“지금까지 여러 연구 노력은 전력 효율성, 재구성 가능성, 크기, 밀도 또는 수명 측면에서 플라즈마 소스를 최적화하는 데 중점을 두었다. 그들의 성공에도 불구하고 모든 면에서 진전을 이루는 것은 불가능했다”라고 Di Iorio가 설명한다. 사실, 적절한 기술 준비 수준에 도달하기 위해서는 특히 재료 분야에서 더 많은 연구가 필요하다.
PATH는 무선 주파수와 중공 음극 플라즈마 소스의 최고의 특성을 결합한 새로운 기술 클래스의 토대를 마련했다. 하이브리드 소스 설계는 플라즈마 밀도(입방 미터당 10^20 이온 초과)를 추가로 증가시켜 안테나 성능을 추가했다. 다양한 분야의 전문 지식을 통합하여 PATH는 이 하이브리드 기술 개념이 통신 및 내비게이션 애플리케이션에서 어떻게 사용될 수 있는지 탐구했다.
플라즈마 안테나 기술의 고유한 특성
“새로 개발된 프로토타입의 실험 결과는 능동 플라즈마 안테나가 금속 안테나와 매우 유사하게 동작함을 보여주었다. 이 두 가지 안테나 유형을 비교할 때 가장 눈에 띄는 차이점은 플라즈마 안테나의 경우 더 낮은 이득에 있다.”라고 Di Iorio는 말한다.
“반면에 안테나 소자가 비활성 상태일 때 주변 안테나 소자의 활성 전기장을 간섭하지 않다. 즉, 스위치를 끄면 다른 요소에서 방출되는 전자파에 투명해진다."
플라즈마 안테나 어레이의 전체 이득은 능동 소자의 기하학적 구조가 동일하게 유지되는 한 능동 안테나 소자의 선택에 불변인 것으로 입증되었다. 대조적으로, 금속 안테나 어레이의 각 안테나 요소는 다른 방식으로 채널 이득에 영향을 미쳤다.
플라즈마 안테나 기술의 시장 응용
Di Iorio는 "고주파에서 안정적인 안테나 성능과 빠른 조정 가능성/높은 재구성 가능성을 보장하는 것은 미래 정보 사회에서 가장 중요하다."라고 말한다.
기존 금속 안테나에 비해 플라즈마 안테나의 장점은 스텔스 및 전자전이 주요 관심사인 군사 응용 분야에서 가장 분명하다.
"또한 우리는 이 기술이 스마트폰 및 기타 소비자 전자 제품, 웨어러블 무선 통신 및 생체 의료용 무선 주파수 시스템에서 유망한 후보가 될 것으로 기대한다."고 Di Iorio는 결론지었다.
- 기간: 2017.1.1.~2022.3.31.[Horizon 2020]}
- 예산: 약 80만 유로 [EU 지원 100%]
- 총괄: ALMA SISTEMI SRL(Italy)
