科学家首次演示用激光制造的可调长度天线 有望用于卫星通信

这项研究由美国北卡罗来纳州立大学的研究团队开展，相关论文于2026年9月1日发表于《IEEE微波学报》。研究人员展示了一种名为激光诱导等离子体丝天线的技术，并首次通过实验确认，这种由激光生成的等离子体通道能够作为真正的天线发射无线电信号。

传统天线的物理尺寸与其工作频率密切相关。通常情况下，天线的长度会影响它能够有效发射或接收的无线电波频率。如果设备需要在不同频段之间切换，往往需要使用不同尺寸的天线，或者借助机械结构调整天线长度。对于卫星、飞机等对重量、体积和结构复杂度有严格要求的设备而言，这种设计可能增加工程难度。

等离子体天线提供了一种不同的思路。等离子体是气体在受到足够能量作用后形成的电离状态，其中包含带电粒子，能够与电磁场发生相互作用。研究人员利用特定功率和光束直径的激光照射空气，使激光路径上的空气分子发生电离，形成一条细长的等离子体丝。通过调整激光参数，研究人员可以控制等离子体通道的特性，包括其长度，从而改变天线的工作条件。

不过，制造出等离子体通道只是第一步。研究团队还必须解决如何将无线电信号输入这条通道的问题。由于直接使用金属导线接触等离子体可能改变其结构，研究人员设计了一种非接触式馈电装置。

该装置采用一个金属环作为电容耦合结构。激光穿过金属环，在环内形成等离子体丝。射频信号发生器向金属环输入信号后，金属环产生相应的电磁场，并通过电容耦合将能量传递给等离子体丝，使其辐射无线电波。整个过程不需要金属部件直接接触等离子体。

在实验中，研究人员让等离子体天线以30MHz频率发射无线电信号，并在附近放置接收天线进行测量。实验结果显示，与激光被遮挡、没有形成等离子体天线的对照情况相比，启用等离子体丝后，接收端测得的信号强度提高至原来的约2.5倍，也就是提升约150%。这为激光生成的等离子体丝能够充当天线提供了实验依据。

研究人员认为，这种天线最具吸引力的特点之一，是能够通过改变激光参数调整天线的物理长度。理论上，这意味着设备可以根据需要改变工作频率，而不必依赖复杂的机械伸缩装置。对于需要覆盖多个无线电频段的系统而言，这种灵活性可能带来新的设计空间。

另一个潜在优势是天线方向可以通过激光束控制。研究团队指出，只要改变激光的传播方向，就能够改变等离子体丝的指向。这种方式未来可能用于调整雷达扫描方向，或者将通信信号集中到更有利的方向，以改善特定方向上的信号表现。

卫星和太空探索设备是研究人员特别关注的应用领域。传统卫星天线往往需要考虑展开机构、结构重量以及可用空间，而激光生成的天线有望减少部分机械结构需求。对于需要在多个频段之间切换的航天设备，这种可调节设计也可能具有价值。

不过，这并不意味着该技术已经可以直接用于深空通信。研究团队指出，在低地球轨道环境中，仍然存在足以形成等离子体的稀薄大气，因此利用激光生成等离子体丝具有一定可行性。但在大气极其稀薄甚至接近真空的环境中，如何产生和维持适当的等离子体通道，将成为必须解决的问题。

研究人员也没有声称这种天线已经具备完整的双向通信能力。目前完成演示的是无线电信号发射，尚未通过实验验证它能否作为接收天线工作。其发射效率、信号增益、工作稳定性以及在复杂环境下的表现，也都需要进一步研究。

论文合著者、北卡罗来纳州立大学教授保罗·弗兰松表示，这种技术提供了一种无需复杂机械展开机构、便可定制天线形态的新思路。研究团队认为，目前的成果只是技术发展的第一步，但它证明了激光诱导等离子体丝可以真正发挥天线作用，后续工作将集中于提升性能和探索实际应用。

总体而言，这项研究的意义并不是已经造出了一种能够取代所有传统天线的新设备，而是首次验证了利用激光在空气中临时制造天线的可行性。如果未来能够解决能耗、信号增益、稳定性和实际环境适应性等问题，等离子体光束天线有望成为卫星、雷达及其他需要灵活调整天线形态的通信系统的一种新选择。