Низкочастотная антенна космических аппаратов Советский патент 1993 года по МПК H01Q1/28 

Изобретение относится к технике радиосвязи, а именно к низкочастотным (НЧ) антенным устройствам и может быть использовано для возбуждения волновода Земля - ионосфера с борта космического аппарата (КА).

Как известно, распространение низкочастотных электромагнитных волн вблизи поверхности Земли носит волноводный характер. Это обусловлено отражением волн от ионосферы и от Земли. Поэтому важной задачей НЧ радиосвязи является поиск эффективных способов возбуждения призем- .ного волновода. Такое возбуждение можно осуществлять как при помощи наземных средств, так и с борта летательных аппара- трв(ЛА). Для ряда прикладных задач важное значение имеет возбуждение из ионосферы. При этом большой практический интерес представляет, в частности, так называемый свистовый диапазон частот со:

Ц «I) (1)н , Ш GJp (1)

где - плазменная частота электронов в ионосфере, со , Он соответственно значения гирочастоты электронов и ионов. В этом случае для эффективного возбуждения приземного волновода необходимо, чтобы большая часть излучаемой антенной КА мощности приходилась бы на такие квазиплоские волны, направления волновых векторов которых на нижней границе ионосферы составляют малый угол с градиентом концентрации плазмы (то есть с вертикальным направлением). Именно такие волны при падении излучения из ионосферы на границу приземного волновода проходят в волновод и достигают наземных приемников.

Существуют различные типы НЧ антенн летательных аппаратов, предназначенных для возбуждения волновода Земля - ионосфера. Так, например, известны тросовые антенны, буксируемые в атмосфере летательными аппаратами, либо поднимав00

со

00

00

ел

со

мые над поверхностью Земли при помощи воздушных шаров и аэростатов, а также ди- польные антенны космических аппаратов. Однако применение их на КА для возбуждения волновода Земля - ионосфера неэффективно по следующим причинам.

Во-первых, распределение мощности по спектру излучаемых такими источниками волн в диапазоне (1) не отвечает указанному выше условию прохождения волн из ионосферы в волновод. Например, в высокоширотной ионосфере, где направления тросового излучателя, поля тяжести (то есть градиента концентрации плазмы v Ne в ионосфере) и геомагнитного поля В0 совпадают, вертикальные тросовые (или Диполь- ные) антенны вообще неврзбуждают волны с волновыми векторами К// У Ые, которые могут проходить из ионосферы в волновод.

Во-вторых, входной импеданс таких излучателей сильно зависит от параметров ионосферной плазмы. Быстрые изменения значений параметров плазмы вблизи излучателя при полете КА с антенной на борту делают ее согласование с генератором практически невозможным.

В-третьих, вблизи тонких проводников в плазме уже при сравнительно небольших величинах подводимого сигнала легко возникают различные нелинейные эффекты, препятствующие заданному режиму работы излучателя в ионосфере.

8-четвертых, эффективность тросовых систем снижается из-за неравномерности распределения тока по проводу, проявляющейся особенно заметно при возбуждении излучателя с однрго конца.

Известны также петлевые антенны, согласование которых с генератором в принципе осуществимо, поскольку их входной импеданс (при не слишком больших электрических размерах петли) слабо зависит от параметров плазмы. Однако для эффективной работы в качестве излучателя такие антенны должны иметь достаточно большие размеры, сравнимые с длиной волны в ионосферной плазме. Например, петлевая антенна типа ОРА-20, использованная в эксперименте Активный, представляет собой круговую, петлю диаметром м, выполненную из полой металлической трубки, Эксперимент Активный показал, что даже при сравнительно небольших размерах петлевой антенны ( 20 м) ее довольно трудно развернуть в космическом пространстве. Отклонения конфигурации антенной системы от расчетной формы, возникающие при разворачивании, делают невозможным оптимальное согласование антенны с генератором.

Наиболее близким к заявленному решению является решение, представляющее собой НЧ антенну летательных аппаратов, содержащую расположенные на борту ЛА излучатель (рамочную антенну), соединенный с возбуждающим генератором, и блок напуска газа, в которой для повышения эффективности в НЧ диапазоне вокруг излучателя формируется искусственное

0 плазменное образование (ИПО) путем напуска нейтрального газа с последующей его ионизацией полем самой антенны. Такое решение позволяет реализовать в ионосфере достаточно эффективный излучатель в сви5 стовом диапазоне частот (1) при сравнительно небольших размерах самой антенной системы, что существенно облегчает ее раз- ворачивание.

Однако спектр излучаемых такой систе0 мой волн не является оптимальным для возбуждения волновода Земля - ионосфера. Большая часть энергии, излучаемой антенным устройством по прототипу приходится на квазипродольные волны (К 11 В0), на5 правления волновых векторов Гкоторых не совпадают с градиентом концентрации плазмы в ионосфере7Ме на средних и низких широтах. Кроме того, при каждом новом включении антенного устройства,

0 необходимо заново осуществлять напуск нейтрального газа, запас которого на борту КА ограничен. На больших высотах расход газа, необходимый для нормальной работы такого устройства, может оказаться

5 весьма большим и даже превысить транспортные возможности КА.

Целью настоящего изобретения является обеспечение эффективности возбуждения волновода Земля-ионосфера антенной.

0 расположенной на борту КА, и экономия бортовых запасов нейтрального газа.

Поставленная цель достигается в НЧ антенне космических аппаратов, содержащей расположенные на борту КА излучатель,

5 возбуждающий генератор и блок напуска газа, в отличие от прототипа, снабженной коаксиальной возбуждающей системой, образованной соединенным с одним из выходов генератора внешним электродом

0 воронкообразной формы, размещенным в корпусе КА с раскрывом на его внешней поверхности, и соединенным с другим выходом генератора излучателем, выполненным в виде проводящего троса, пропущенного

5 сквозь внешний электрод и заключенного в эластичную газонепроницаемую гофрированную диэлектрическую оболочку, герметически соединенную с внешним электродом по периметру его раскрыва, при этом патрубок для напуска нейтрального газа помещен внутрь коаксиальной возбуждающей системы, давление Р нейтрального газа связано с напряженностью электрической поля Е (В/см) на раскрыве возбуждающей системы соотношением

Е

8,35 -KTPt

- + V4

oi

P/2(1+) Ve

5.34

(2)

где do - средний диаметр оболочки, см;

Ох- амбиполярный коэффициент поперечной диффузии плазмы в магнитном поле, см2/с;

V4 - частота рекомбинации заряженных частиц в плазме,

и) - круговая частота генератора, рад/с;

ve - эффективная частота столкновений электронов, ,

а диаметр оболочки do. длина троса L и период гофра D удовлетворяют условиям: Ыо ,(3) Kn L 1, (4)

(5) где ho - постоянная распространения основной пространственной гармоники мед- ленных квазиповерхностных волн, направляемых сформированным полем этих волн столбом плотной плазмы вокруг троса, Кц - значение проекции волнового вектора в ионосфере на направление вдоль троса для волны, проходящей в волновод Земля-ионосфера.

Сравнение с другими источниками показало, что несмотря на известность тросовых антенн и антенн с использованием блока напуска газа эти решения ни порознь, ни вместе не могут осуществить поставленную цель. Только создание коаксиальной возбуждающей системы с гофрированной диэлектрической оболочкой вокруг цент- рального электрода (троса) создает оптимальные условия для возбуждения волновода Земля-ионосфера с борта КА.

Предлагаемая система изображена на фиг. 1; на фиг. 2 изображена поверхность волновых векторов в магнитоактивной плазме в диапазоне частот (1); на фиг. 3 показана диаграмма, поясняющая трансформацию медленной волны плазменного столба в более быструю волну фоновой ионосферы.

Предлагаемая антенна включает: корпус летательного аппарата 1, возбуждающий генератор 2, патрубок блока напуска нейтрального газа 3 (блок на фиг. 1 не обозначен), внешний электрод коаксиальной возбуждающей системы 4, проводящий

трос 5, эластичную гофрированную диэлектрическую оболочку 6, плазму разряда 7, растягивающий субспутник 8.

Антенна работает следующим образом. Проводящий трос 5, соединенный одним концом с выходом генератора 2, растягивается субспутником 8 вертикально вниз в поле тяжести Земли. После растягивания системы оболочка 6 раздувается в ионосфере напускаемым внутрь нее через патрубок 3 нейтральным газом до заданного диаметра d(Z)d0 + A dcos /3 Z (Z - координата, отсчитываемая вдоль троса, Д d d0). К тросу 5, окруженному оболочкой 6, через коакспальную возбуждающую систему (КВС) от возбуждающего генератора 2 подводится сигнал с амплитудой Е. При условии (2) вокруг троса под оболочкой возбуждается разряд 7, концентрация плазмы в котором

намного превосходит концентрацию плазмы в фоновой ионосфере. Заметим, что в левой части соотношения (2) стоит частота ионизации нейтральных молекул электронным ударом, а в правой - суммарная частота

потерь частиц из разряда, обусловленная объемной рекомбинацией частиц ( v4) и их диффузией на внешнюю стенку (оболочку) разряда (Од. /do2}.

Плазменный столб, окружающий трос,

при условии (3) является волноводом для медленных квазиповерхностных волн, которые возбуждаются через раскрыв внешнего электрода 4 коаксиальной возбуждающей системы. В силу наличия гофрированной

стенки б медленная волна, распространяющаяся вдоль плазменного столба, все время переизлучается в более быстрые собственные волны фоновой ионосферы, волно- Еше которых лежат в интервале

К, К + A It. При условии {4} ширина ДК такого волнового пучка мала: I A KI « I ЈГ| ,

поэтому далее мы будем рассматривать в ионосфере только волну с волновым вектором К. Выбором периода гофра D (условие

(5)) всегда можно добиться, чтобы направление этого вектора К было оптимальным для возбуждения волновода Земля-ионосфера. Поясним более подробно особенности распространения волноводных мод в плазменном столбе и механизм их переизлучения в фоновую ионосферу. Оговоримся сразу же, что для простоты мы будем рассматривать далее случай высокоширотной ионосферы, в которой направления геомагнитного поля и поля тяготения совпадают.

При довольно естественном ограничении на. толщину диэлектрической оболочки Дг

ппДг 1(6)

71838851 8

ее присутствием можно пренебречь (здесьВ случае Шн/ы 1, Ihl do 1 (см. (1),

U hn - КоРп - постоянная распро-(3)) дисперсионное управление (8) имеет рестранения строго продольной свистовойшения в виде дискретного спектра: hm-hV

волны с волновым вектором К hn Z° // $0 m ° 1 - При этом в

в однородной плазме с концентрацией, рав- 5представляющем для нас наибольший интеной концентрации плазмы вокруг троса,Рес случаеV/V 1 выполняется соотношеК0 - волновое число в вакууме). При допол-ние 2К° WJ h m hu . Малая мнимая

нительных условияхдобавка к постоянной распространеМ « do, hu b VCT « 1, I ln(hn b VU) 1,ния связана с утечкой энергии из кана 7) Юла, обусловленной частичной

где b - радиус троса, дисперсионное управ-трансформацией захваченной в канал крупление для собственных мод. направляемыхномасштабной моды, отвечающей участку

плазменным столбом с тросом на оси, па-±4 на поверхности волновых векторов

оаллельным внешнему магнитному полю(Фиг 2)« в мелкомасштабную вытекающую

Во, переходит в дисперсионное управление 15волну, отвечающей участку ±рг. Придальдля однородного плазменного цилиндра ga-нейшем рассмотрении в силу условия

диуса do, ориентированного вдоль поля : h m мы бУДем пренебрегать этой

и окруженного фоновой плазмой меньшейутечкой энергии из канала. Заметим также,

плотности. Постоянная распространения hчт° в представляющем практический интеотдельной моды является корнем этого 20рее достаточно узком столбе (h do 1)сущеуравнения, которое при условиях (6), (7) иствует только одна (основная) распро ы UJLH(HLH - нижняя гибридная час-страняющаяся медленная мода с потота) будет иметь вид:стоянной распространения h h0.

у i.v,В заявке не приводятся подробные (Qi) + CiK + С2Н (Qy 25зультаты, относящиеся к плазменному.вол C3J(Qi)(1)-i-C/}J(Qi)K, (8)новоду с повышенной плотностью в

гподиапазоне частот )н. Теоретический

I ДС

jt fQA Ki (81) -анализ показывает, что и в этом случае в

Q Jo (Qi) Si Ко (Sij канале могут распространяться медленные

0/К 30поверхностные волны. В частности в интерН )вале О О) WLN ветви Q2 (см. формулу (9))

S2 Н0 (82) ..отвечает вне волновода чисто поверхностJn. Kn, функции Бесселя, Макдональ-ная (невытекающая) волна. Поэтому мнимая

да и Ханкеля соответственно, Qi K0d0qi,часть h здесь обращается в нуль.

Si KodpSi, ,2, „- 35Заметим также, что при условии (3) и

q122 p2(U/2- 1) - V ±(PU/2)достаточно высокой концентрации плазмы

.в столбе () практически вся излучаемая

ч Ур2 -М. . (9)через раскрыв КВС мощность уходит в наU . правляемые таким каналом поверхностные

Si.22 (PU/2) VP2 л У. - волны. Получению высоких значений кон±{P2(U/2 - 1)-V. U (10)центрации плазмы вокруг троса способству V , ч /-:ет наличие удерживающей плазму

Ci Co(N2 - NiX№ у -Ni), C2 - Со(№ -гоазонепроницаемой оболочки. Кроме того,

V ч , ,при наличии оболочки осуществляется эко-NaXNi$-Ni), (11) 45Номийгаза.

V

Сз (Ni - N2XNr у - №), С4 C0(Ni -Переизлучение медленной волны из ка v V нала в более быструю волну фоновой плаз-NiXN2 ).мы осуществляется благодаря специально

С0 {fsj1. fsl2) 1( - N2)1. N1,2 (Р ± подобранной форме d(Z) боковой стенки

волновода. В волноводе с гофрированной

±Vn2 .лО. ) vCT/2,стенкой наряду с основной модой Ь0 рас- i

U пространяется бесконечное число проNI 2 (Р ± YD л V ) VtT/2, P h/Ko,странственных гармоник с постоянными

U 55распространения hn ho + п/,,

V - fl|/o . V - И/а . D - вРиодгофра, п - +1.±2,..,

й%, и йр - значения плазменной частотыE(r) T irt( ),

электронов вне и внутри волновода соответ-п - 1 ственно.

ни- I Япфё

n -- °°

ihhZ

(12)

Соответствующим выбором периода D легко добиться, чтобы среди пространствен- мых гармоник появились быстрые, для Которых I Rehni « ho. Например, в случае Hi -1, /3 h0, Км h-i, где К„- проекция волнового вектора К на направление троса Некоторой волны в фоновой ионосфере (Кн « h0), энергия замедленной квазипо- ерхностной волны излучается со стенки волновода в окружающее пространство. При этом необходимо выбирать такое значение hn Кн , чтобы для отвечающей ему ролны в ионосфере с волновым вектором к нижней кромке ионосферы выполнялось словие К 11 v Ne, при котором излучение проходит в приземный волновод.

Таким образом, за счет выбора соответ- ствующего закона периодического изменения диаметра столба вся энергия, переносимая медленной модой вдоль плазменного волновода, переизлучается в заданную более быструю волну ионосферы. оптимальную для возбуждения волновода Земля-ионосфера.

Диаграмма, поясняющая процесс трансформации волн на стенке плазменного волновода 7 для случая высоких широт, изображена на фиг. 3. В ионосфере высоких широт практический интерес представляет генерация в фоновой ионосфере интенсивной квазипродольной (Kj. Кц ) свистовой волны, способной пройти в волновод Земля- ионосфера и возбудить электромагнитное поле на поверхности Земли. На фиг. 3 показаны поверхности волновых векторов для плазмы с концентрацией Ne, равной концентрации плазмы вокруг троса, и для фоно- вой плазмы ионосферы с концентрацией Ne «Ne; Кф - постоянная распространения строго продольной свистовой волны в ионосфере. Если величины п0, Км , D удовлетворяют условию (5), а значение Кц отве- чает волновому вектору в ионосфере для волны, выходящей в приземный волновод (то есть Кц Ј Кф), то в ионосферной плазме антенна возбуждает волновой пучок с шириной I ДЙ| « К|| . ЭТО Означает, ЧТО

излучение тросовой антенны будет сосредоточено как раз в наиболее оптимальном для возбуждения волновода Земля-ионосфера спектральном интервале 0 К Кдтах « К ||.

В общем случае оптимальное значение Кц зависит от широты, поскольку при ее изменении меняется угол р между тросом (направлением поля тяжести) и волновым вектором к для волн, проходящих в приземный волновод (очевидно, что К ц « I К I cosy ). Настройка на нужное значение Кц при изменении координат КА легко осуществляется путем соответствующего изменения постоянной распространения h0, являющейся функцией концентрации плазмы Ne вокруг троса. Изменяя концентрацию плазмы Ne в столбе по заданной программе, можно обеспечить оптимальные условия для передачи сигнала на Землю при любой траектории полета КА.

Что касается согласования предлагаемой тросовой антенны с возбуждающим генератором, то оно легко может поддерживаться на оптимальном уровне, поскольку в данном техническом решении входной импеданс антенны в основном определяется заранее заданными (известными) характеристиками плазмы вокруг троса и известной структурой распространяющегося вдоль него электромагнитного поля. Более того, в такой системе происходит самозатягивание антенны в резонанс, когда параметры плазмы и величина поля в разряде автоматически устанавливаются на уровне, соответствующем оптимальному согласованию антенны с генератором.

Итак, выполнение совокупности перечисленных выше отличительных признаков позволяет обеспечить эффективное возбуждение волновода.

Формула изобретения Низкочастотная антенна космических аппаратов, содержащая расположенные на борту космического аппарата излучатель, возбуждающий генератор и блок напуска нейтрального газа, отличающаяся тем, что введен коаксиальный возбудитель, состоящий из размещенного в корпусе космического аппарата, совмещенного раскрывом с его внешней поверхностью и присоединенного к одному из выходов возбуждающего генератора, и проводящего троса, п рисоединенного к другому его выходу, пропущенного сквозь внешний электрод и заключенного в эластичную газонепроницаемую гофрированную диэлектрическую оболочку, герметически соединенную с внешним электродом по периметру его рас- крыва, при этом блок напуска нейтрального газа соединен патрубком с коаксиальным возбудителем, причем давление Р нейтрального газа выбрано из соотношения:

-WAP

4

(1 +)

т4

Т 5.34

-% + A,

&

где do.- среднийдиаметр эластичной газонепроницаемой диэлектрической оболочки;

Од - коэффициент поперечной амбипо- лярной диффузии плазмы в магнитном поле;

v4-частота рекомбинации заряженных частиц в плазме;

Е - напряженность электрического поля на раскрыве коаксиального возбудителя;

oh- круговая частота возбуждающего генератора;

ve - эффективная частота столкновений электронов,

при этом период гофра О, диаметр оболочки do и ДлйндЬроводящего троса L выбраны из

СООТНОШенИЯ

pЈ/&f

D

где hp - постоянная распространения основной пространственной гармоники медленных квазиповерхностных волн, направляемых столбом плотной плазмы,

сформированным полем этих волн вокруг проводящего троса;

Kit - величина проекции волнового вектора в ионосфере на направление вдоль проводящего троса для волны, проходящего

в волновод Земля-ионосфера.

8

K0f

Использование: техника радиосвязи в космосе (возбуждения волновода Земляионосфера с борта космического аппарата). Сущность изобретения: для возбуждения волновода Земля-ионосфера используется коаксиальный возбудитель, состоящий из электрода воронкообразной формы и проводящего троса, расположенного вдоль его оси и заключенного в эластичную гофрированную диэлектрическую оболочку, внутрь которой подают нейтральный газ. в котором с помощью генератора зажигают разряд. Размеры троса и оболочки и давление нейтрального газа связаны определенным соотношением. Обеспечивается эффективное возбуждение плазменного волновода при малом расходе газа. 3 ил.

Z«of%

foq.

№

ft

oP#

Pi/aZ

К

p