СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ АНТЕНН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1994 года по МПК H01Q9/00 

Изобретение относится к технике радиосвязи, в частности к способам создания плазменных антенн, может быть использовано для возбуждения волновода Земля-ионосфера в низкочастотном (НЧ) диапазоне с борта малых летательных аппаратов (ЛА) и является усовершенствованием известного способа и устройства, описанных в авт. св. N 1304694.

Известны способ и устройство для создания плазменных антенн.

Способ создания плазменных антенн заключается в формировании в ионосфере плазменного столба путем возбуждения плазменно-волнового разряда радиоизлучением с борта ЛА в нижнегибридном диапазоне частот и поляризации плазмы разряда полем НЧ-вибратора. Устройство для создания плазменных антенн содержит разрядный блок в виде двух металлических колец, подключенных к высокочастотному (ВЧ) генератору, и электрический вибратор, подключенный к НЧ-генератору, размещенный соосно с металлическими кольцами с возможностью ориентировки оси вдоль магнитного поля Земли.

Созданные таким образом плазменные антенны могут быть достаточно протяженными (их длина L1 км), легко и быстро разворачиваться в пространстве, без проблем могут быть доставлены в ионосферу на ракетах малой дальности.

Недостатком описанных способа и устройства является сравнительно малая величина токов поляризации, что ограничивает величину излучаемой такой антенной мощности. Распределение тока поляризации по длине плазменного столба в плазменной антенне определяется отрезком синуса с нулем на конце столба и амплитудой, ограниченной полем пространственного заряда, который создается этим током на концах столба.

Цель изобретения - увеличение эффективности НЧ-излучения плазменных антенн в ионосфере с борта летательного аппарата.

Поставленная цель достигается тем, что в способе создания плазменных антенн в ионосфере Земли по авт. св. N 1304694 п. 1, согласно изобретению, в области ВЧ-разряда формируют ускоряющее поле, которое составляет угол α с направлением магнитного поля Земли, причем его создают в ускоряющем промежутке, к которому прикладывают импульсное высоковольтное напряжение U_уск., управляемое НЧ-сигналом, которое выбирают из соотношения
U_кр > U_уск >> U_ст;
f_нч< ν_in ; cosα ≃ , где U_ст - потенциал плазменного столба относительно фоновой плазмы;
U_кр = Е_пр ˙d_уск;
Е_пр - пробивная напряженность поля;
d_уск - диаметр ускоряющего промежутка;
ω_нч= 2 π f_нч ;
f_нч - частота импульсов;
ν_in- частота столкновений ионов с нейтральными частицами;
К - продольное волновое число излучаемой НЧ-волны (относительно магнитного поля Земли).

Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для создания плазменных антенн по авт. св. N 1304694, п. 2, согласно изобретению, электрический вибратор выполнен в виде металлических сеток в форме секторов двух коаксиальных цилиндров, размещенных симметрично относительно их оси. При этом диаметр и площадь разрядного промежутка d_разр, S_разр, образованного внутренним цилиндром, и диаметр и площадь ускоряющего промежутка d_уск, S_уск выбраны из соотношения
40^°≅ α ≅ 60^°; S_уск > S_разр;
_≪<<< , где e, m - заряд и масса электрона;
Е_вч - амплитуда электрического ВЧ-поля;
ω= 2 π f- его круговая частота;
I_е - длина свободного пробега электронов, при этом ось ускоряющего промежутка ориентирована под углом α к направлению магнитного поля Земли, а НЧ-генератор выполнен в виде генератора управляемых серий высоковольтных импульсов.

Выполнение совокупности указанных отличительных признаков: создание в области ВЧ-разряда ускоряющего промежутка с управляемым полезным НЧ-сигналом высоковольтным импульсным напряжением, подбор величины и частоты модуляции ускоряющего напряжения, геометрических размеров ускоряющего и разрядного промежутков - позволяет получить в известном способе новый физический эффект - стимулирование направленных потоков заряженных частиц, формирующих в ионосфере вытянутые вдоль магнитного поля Земли замкнутые токовые конфигурации; спиральный электронный поток замыкается через поперечный ионный поток и ток "короткого замыкания" по фоновой плазме. Модуляция таких токов позволяет получить в ионосфере НЧ-источник с токовым моментом I10⁵ А˙М или дипольным моментом Р 10²А˙М.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 - конкретный вариант практического образца плазменной антенны.

Устройство содержит две металлические сетки 1, 2, расположенные соосно на расстоянии d_разр друг от друга и образующие разрядный промежуток 3. Каждая из сеток 1, 2 соединена с одним из противоположных выходов ВЧ-генератора 4. Металлические сетки 5 и 6, установленные соосно на расстоянии d_уск друг от друга, образуют ускоряющий промежуток 7. Сетки 5, 6 соединены с выходами генератора управляемых серий высоковольтных импульсов 8, который включает в себя генератор ускоряющих импульсов и НЧ-генератор.

Способ, реализуемый устройством (фиг. 1, 2), осуществляют следующим образом. Сигнал от ВЧ-генератора 4 подают на сетки 1, 2. В разрядном промежутке 3, ориентированном под углом α к магнитному полю Земли, формируют разряд в виде самосфокусиpованного плазменного столба, вытянутого вдоль магнитного поля Земли. В области ВЧ-разряда создают ускоряющий промежуток 7, охватывающий разрядный промежуток 3 и размещенный с ним соосно. К промежутку 7 с помощью сеток 5 и 6 прикладывают управляемое НЧ-сигналом высоковольтное импульсное напряжение от генератора 8, что позволяет сформировать направленный спиральный поток электронов вдоль и поток ионов поперек магнитного поля Земли. Плазменно-волновой разряд (его длина L_II ) сравнительно тонок (поперечный размер разряда r₁ << L_II ) и может быть легко перекрыт электродами разрядного промежутка (площадь пластин S_уск > S_разр).

Величина ускоряющего напряжения U_уск должна заметно превышать величину потенциала положительного столба (U_ст << U_уск). В противном случае нельзя заметно изменить диффузионные токи. С другой стороны, если ускоряющее поле (Е_уск= U_уск/d_уск) будет превышать величину пробойного поля в столбе (Е_пр), будут велики потери энергии на дополнительную ионизацию плазмы в столбе. Возбуждение НЧ-волн наиболее эффективно при резонансном взаимодействии спирального потока электронов с полем НЧ-волны, т. е. К_II V_II ≈ ω_нч(K_II, V_II - проекции волнового вектора возбуждаемой волны и скорости электронов на направление магнитного поля Земли). По этим причинам величина ускоряющего потенциала U_уск на ускоряющем промежутку (диаметр промежутка d_уск) должна удовлетворять условиям
U_кр = Е_пр d_уск U_уск >> U_ст;
cos α ≃ .

Частота следования ускоряющих импульсов должна быть меньше эффективной частоты столкновений ионов (ν_in) а длительность ускоряющего импульса τдолжна быть больше времени 1/ν_in. В противном случае диффузия не успеет перестроиться за время действия ускоряющего поля, и замыкания выбрасываемых потоков не будет.

Величина тока спирального потока электронов I_е существенно больше тока ионов I_i, поскольку скорость электронов V_е> V_i. Замыкание I_епроисходит через диффузионный поток ионов со всей поверхности положительного столба разряда, частью которого является I_i. При выполнении условий синхронизма К_II V_II= ω_нчспиральный поток электронов может существенно увеличить излучаемую мощность, так как излучаемая мощность W_синхр≈ I_e x L_синхр, где L_синхр - длина участка столба, на котором сохраняется синхронизация потока электронов с возбуждаемой волной (LI_e).

Из условий синхронизма спирального потока электронов с возбуждаемой волной и необходимости получения достаточно большого потока ионов, выбрасываемых из ускоряющего промежутка примерно на гирорадиус в сторону от столба, следует, что оптимальным является угол αв интервале от 40 до 60^о. При углах α> 60^о необходимо сильно увеличить U_уск, так как уменьшается ток электронов I_e, а при α< 40^о заметно уменьшаются величина тока I_i и значение гирорадиуса ионов R_i, а следовательно, и размер токовой петли, т. е. величина дипольного момента М = I_i L_II R_i.

Для эффективного возбуждения ВЧ-разряда необходимо, чтобы размеры разрядного промежутка были больше амплитуды осцилляций электронов в области сильного поля. Поэтому
d_разр > .

Для ускоряющего промежутка
l_e d_уск > d_разр - , так как в противном случае поле ускоряющего промежутка используется неэффективно. При d_уск > l_e возрастают потери энергии на тепло и ионизацию, а при
d_уск- d_разр< поле разрядного промежутка может тормозить некоторую часть ускоренных полем ускоряющего промежутка электронов.

Ориентированное под углом α к линиям магнитного поля Земли поле высоковольтных импульсов, подводимых к ускоря- ющим электродам, закручивает и выбрасывает электроны вдоль столба разряда, а ионы при ускоряющем напряжении U_уск10³ В выбрасываются из ускоряющего промежутка и частично диффундируют из положительного столба поперек магнитного поля и замыкают ток выбрасываемых вдоль столба электронов через ток "короткого замыкания" фоновой плазмы. Положительный столб разряда является достаточно эффективным источником ионов, что позволяет замкнуть возбуждаемые НЧ-токи и, следовательно, существенно повысить пороги поляризационных неустойчивостей по величине тока. Величина ионного тока из разрядного промежутка, определяющая амплитуду излучающего тока I₁, зависит от плотности плазмы N_e, площади сеток S_уски ускоряющего потенциала U_уск. При небольших энергозатратах (мощность генератора W_о10 кВт), напуске газа в окрестность антенны, U_уск ≈3 кВ, S_уск ≈ 2 м² , N_e ≈10⁹ см^-3, могут быть достигнуты значения тока I_i ≈ e N_e V_i S_уск 50 А . При длине столба L_II ≈5 км, гирорадиусе ускоренных ионов азота R_i ≈ 1 км, I_i ≥ 50 А эквивалентный дипольный момент такой антенны М = I_iL_II R_i≥10⁸ Ам², что позволяет получить на поверхности Земли в диапазоне частоте f ≈100 Гц достаточно большие значения напряженностей полей E10^-5 В/м, H10^-7 А/м.

Примером осуществления устройства для создания плазменных антенн может служить изготовленный в Нижегородском университете макет экспериментального образца плазменной антенны, входящего в состав блока научной аппаратуры (БНА) для натурного ионосферного эксперимента "Активный шнур - 91".

Внешний вид плазменной антенны в рабочем состоянии изображен на фиг. 2, где сплошными линиями изображены проводники (мягкие медные тросики), а пунктирными - диэлектрические шнурки.

Плазменная антенна представляет собой два набора коаксиальных цилиндрических сеток, образующих соответственно разрядный и ускоряющий промежутки. Противолежащие друг другу секторы внутренних сеток 1,2 (по 120^о каждый) диаметром 160 см образуют разрядный промежуток 3, который возбуждается генератором 4. Аналогичные секторы внешних сеток 5, 6 диаметром 240 см составляют ускоряющий промежуток 7. На сетки 5, 6 подаются высоковольтные ускоряющие импульсы от генератора 8. Коаксиальные сетки 1, 2 и 5, 6 закреплены на самораскрывающейся под давлением внутренних газов антенной стойке 9. Ячейки сеток противолежащих секторов изготовлены из металлического (медного) тросика, секторы связаны друг с другом изолирующим шнурком 10. Радиальные растяжки 11, 12 секторов также изготовлены из изолирующего диэлектрического шнурка, за исключением связок между заземленными секторами (на фиг. 2 - оба левых сектора 1,5). Верхние радиальные растяжки 11 закреплены на текстолитовом фланце 13 внутренней выдвигающейся трубы 14. Нижние радиальные растяжки 12 закреплены на верхнем текстолитовом фланце 15 неподвижной трубы стойки 9. Размер ячейки сеток 20 см.

Питание от ВЧ-генератора 4 к внутреннему сектору 2 подводится изолированным проводом 16 внутри трубы антенной стойки 9 через верхний фланец 13 к радиальной растяжке 11. Высоковольтные импульсы от генератора 8 подаются через разъем 17 к верхней плате БНА по коаксиальному кабелю 18, прикрепленному к внешней трубе антенной стойки 9, и радиальной растяжке 12 к внешнему заметаллизированному сектору 6.

Предлагаемое решение позволяет использовать сравнительно малые летательные аппараты (типа метеоракет МР-12) для формирования в нижней ионосфере достаточно эффективных СНЧ-излучателей, реализующих возможность создания мобильных командных радиолиний СНЧ-диапазона. В результате появляются возможности значительной экономии материальных и энергетических затрат, связанных с сооружением и эксплуатацией стационарных СНЧ-радиостанций. (56) Авторское свидетельство СССР N 1304694, кл. Н 01 Q 9/00, 1980.

Использование: радиосвязь в НЧ-диапазоне с борта малых летательных аппаратов. Сущность изобретения: в нижней ионосфере формируют плазменный столб путем возбуждения самосогласованного вдоль геомагнитного поля плазменно-волнового ВЧ- разряда в поле косых ленгмюровских волн и его поляризации НЧ-сигналом. Для увеличения эффективности НЧ-излучения в области ВЧ-разряда формируют ускоряющее поле. Это приводит к образованию спирального потока электронов, синхронизованного с излучаемой НЧ - волной. Устройство для реализации способа выполнено в виде электрического вибратора, состоящего из секторов коаксиальных цилиндров, размеры и ориентация которых выбраны определенным образом. 2 н. з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ создания плазменных антенн по авт. св. N 1304694 п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности излучения плазменных антенн, в области ВЧ-разряда формируют ускоряющее поле, которое составляет угол α с направлением магнитного поля Земли, причем его создают в ускоряющем промежутке, к которому прикладывают импульсное высоковольтное напряжение U_уск, управляемое НЧ-сигналом, которое выбирают из соотношений
U_кр > U_уск >> U_ст;
f_нч< ν;
cosα ≃
где U_ст - потенциал плазменного столба относительно фоновой плазмы;
U_кр = E_пр · d_уск;
E_пр - пробивная напрженность поля;
d_уск - диаметр ускоряющего промежутка;
ω_нч = 2π f_нч
f_нч - частота импульсов "Пуск";
ν_in - частота столкновения ионов с нейтральными частицами;
K₁₁ - продольное волновое число излучаемых НЧ-волн (относительно магнитного поля Земли). 2. Устройство для создания плазменной антенны по авт. св. N 1304694, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности излучения плазменной антенны, электрический вибратор выполнен в виде металлических сеток в форме секторов двух коаксиальных цилиндров, размещенных симметрично относительно их оси, при этом диаметр и площадь разрядного промежутка d_разр, S_разр, образованного внутренним цилиндром, и диаметр и площадь ускоряющего промежутка d_уск, S_уск выбраны из соотношений
40^o ≅ α ≅ 60^o , S_уск > S_pазp ;
_e/m≪<;
где l, m - заряд и масса электрона;
E_ВЧ - амплитуда электрического ВЧ-поля;
ω = 2π f - круговая частота ВЧ-поля;
l_е - длина свободного пробега электронов,
при этом ось ускоряющего промежутка ориентирована под углом α к направлению магнитного поля Земли, а НЧ-генератор выполнен в виде генератора управляемых серий высоковольтных импульсов.