금속막대 없이 레이저로 허공에 안테나 만들었다

플라즈마 이용 비접촉식 안테나로 30MHz 전파송신 성공

레이저를 이용해 공중에 안테나를 만들고 실제 전파를 송신하는 기술이 개발됐다. 금속 구조물 없이 공기를 이온화해 만든 플라즈마를 안테나로 활용하는 방식으로, 향후 위성통신과 레이더 등에서 안테나의 길이와 방향을 자유롭게 조절하는 기술로 발전할 가능성이 제시됐다.

미국 노스캐롤라이나주립대학교 연구진은 최근 레이저로 생성한 플라즈마 필라멘트를 이용해 30MHz 주파수의 전파를 송신하는 데 성공했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 'IEEE 저널 오브 마이크로웨이브스' 9월호에 게재됐다.

기존 안테나는 금속 구조물의 길이와 형태에 따라 송수신할 수 있는 주파수 특성이 달라진다. 여러 주파수를 사용하거나 신호를 보내는 방향을 바꾸려면 안테나 구조를 조정해야 하는 경우가 많다. 특히 크기와 무게에 제약이 큰 위성이나 우주탐사 장비에서는 이러한 구조가 부담이 될 수 있다.

연구진은 금속 안테나 대신 레이저로 공기를 이온화하는 방법을 사용했다. 레이저의 출력과 빔 직경을 조절하면 공기 중에 가늘고 긴 플라즈마 통로가 형성되는데, 이를 '플라즈마 필라멘트'라고 부른다.

레이저로 공기를 이온화해 만든 플라즈마 안테나 실험 모습, 사진_노스캐롤라이나주립대학교

플라즈마는 전하를 띤 입자를 포함하고 있어 전자기장과 상호작용할 수 있다. 연구진은 이 특성을 활용해 플라즈마 필라멘트 자체가 전파를 방출하도록 했다.

핵심은 플라즈마에 전기적 신호를 전달하는 방법이다. 연구진은 금속 고리 형태의 축전기를 제작하고 그 중심으로 레이저를 통과시켰다. 고리에 공급된 무선주파수 신호가 전자기장을 형성하면, 이 전자기장이 플라즈마 필라멘트와 상호작용해 전파를 방출하는 방식이다.

금속 전극을 플라즈마에 직접 접촉시키지 않고도 신호를 전달하는 비접촉식 급전 기술을 구현한 셈이다.

실험에서는 플라즈마 안테나와 수신 안테나를 약 5cm 떨어뜨린 상태에서 30MHz 전파 송신을 확인했다. 플라즈마를 형성하지 않았을 때와 비교하면 수신 신호 강도가 2.5배 높아졌다.

이 실험으로 레이저로 만든 플라즈마 필라멘트가 실제 안테나처럼 전자기파를 방출할 수 있다는 점을 확인했다. 다만 두 안테나가 매우 가까운 거리에서 진행된 실험인 만큼 장거리 통신 성능까지 입증하지는 못했다.

논문 교신저자인 프리야 다르시니 노스캐롤라이나주립대학교 박사과정 연구원은 “플라즈마 빔 안테나는 광선검처럼 생겼으며 조정이 가능해 넓은 범위의 주파수에서 송신할 수 있을 것으로 기대한다”고 설명했다.

이어 “레이저의 매개변수를 제어하면 플라즈마 필라멘트의 길이를 포함한 특성을 조절할 수 있다”며 “레이저 방향을 바꾸는 것만으로 안테나의 각도를 조정할 수 있다”고 강조했다.

연구진은 이러한 기술이 위성이나 우주탐사 장비에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 기존 안테나처럼 복잡한 기계식 전개 장치를 사용하지 않고도 필요한 길이와 방향의 안테나를 형성할 수 있기 때문이다.

공동 연구자인 폴 프랜존 노스캐롤라이나주립대학교 교수는 “복잡한 기계식 전개 장치 없이 맞춤형 안테나를 구현할 수 있는 새로운 개념”이라고 평가했다.

다만 기술은 아직 초기 실험 단계다. 연구진은 플라즈마 필라멘트를 이용한 전파 송신에는 성공했지만, 전파 수신 기능이나 광범위한 주파수에서의 작동 성능은 검증하지 않았다.

다르시니 연구원은 “이번 연구는 첫걸음이지만 중요한 진전”이라며 “플라즈마 필라멘트 안테나가 작동할 수 있다는 사실을 처음 입증한 만큼 앞으로 성능을 개선할 수 있을 것”이라고 밝혔다.