Плазменная антенна

Плазменная антенна

Реферат

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для изучения радиоволн в длинноволновом диапазоне с борта космического аппарата в ионосфере.

Известна лазерная антенна (аналог), в которой излучающим элементом является ионизированный столб воздуха, создаваемый лазерным лучом и аналогичный излучающему металлическому стержню. Лазерная антенна состоит из лазера, который предназначен для создания лазерного луча, фокусирующего устройства и цепи для соединения источника сигналов с основанием ионизированного столба воздуха [1. США, патент №3404403, 343-700, 1968 г.].

Недостатком известной лазерной антенны является высокий уровень боковых лепестков диаграммы направленности.

Наиболее близкая по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототип) известна плазменная приемопередающая антенна, представляющая собой излучающий элемент в виде плазменного образования, которое размещено внутри анода плазменного генератора. Указанный электрод выполнен в виде волновода цилиндрической формы. Источник информационных сигналов (радиоволн) через устройство развязки подключен к анодному выходу плазменного генератора [2. Россия, патент №2255394, H01Q 1/00, 2005].

Недостатком известной плазменной приемопередающей антенны является высокий уровень боковых лепестков диаграммы направленности.

Технической задачей данного изобретения является снижение уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны.

Технический результат достигается за счет того, что в известной плазменной антенне, содержащей плазменный генератор, формирующий плазменное образование, и первичный источник радиоволн, анод плазменного генератора выполнен в виде конического диффузора, состоящего из корпуса и конической вставки, диэлектрически соединенной с подводящим патрубком, поверхность которого выполнена перфорированной, кроме того, первичный источник радиоволн установлен на оси антенны на расстоянии от точки генерации плазменного образования, где γ=2,8…3,0 - постоянная величина, k - волновое число, b - максимальное расстояние от плазменного генератора до границы области с критической концентрацией электронов, θ_к - угол между осью антенны и направлением распространения плазмы с максимальной скоростью.

Известно [3. Колычев С.Α., Ярыгин А.П. Плазменные антенны космического базирования с управляемыми характеристиками // Радиотехника. 2006, №6. С. 74-77], что при взаимодействии радиоволн с плазменным образованием проявляются две области: с концентрацией электронов N выше и ниже критической. Граница между этими областями определяется соотношением длины радиоволны λ и критической концентрацией электронов в плазменном образовании . При этом область плазменного образования с концентрацией электронов N выше критической обладает экранирующим эффектом - диэлектрическая проницаемость, при Ν=Ν_kp, ε=0), то есть происходит отражение радиоволн, а в области плазменного образования с концентрацией электронов N ниже критической происходит изменение направления распространения радиоволн в сторону с более низкой концентрацией электронов.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, на которых представлены сечения анода плазменного генератора и неоднородного плазменного образования, формируемого им. На фиг. 1 обозначено: 1 - корпус анода, 2 - коническая вставка, 3 - подводящий патрубок, 4 - зазор между корпусом анода и конической вставкой.

На фиг. 2 обозначено: 5 - плазменный генератор; 6 - область неоднородного плазменного образования с концентрацией электронов N выше критической N_kp; 7 - область неоднородного плазменного образования с концентрацией электронов ниже критической; b - максимальное расстояние от плазменного генератора до границы области с критической концентрацией электронов, θ_к - угол между осью антенны и направлением распространения плазмы с максимальной скоростью; 8 - первичный источник радиоволн, установленный на оси антенны ΟΖ на расстоянии R от плазменного генератора О; кроме того, схематично изображена геометрия лучей, по которым распространяется энергия первичного источника радиоволн.

Выполнение анода в виде конического диффузора, состоящего из корпуса 1 и конической вставки 2, обеспечивает формирование плазменного образования воронкообразной формы (фиг. 2). Направление распространения плазмы с максимальной скоростью будет определяться формой зазора 4 между корпусом 1 и конической вставкой 2. Кроме того, очень незначительное количество плазмы будет «затекать» на большее основание конической вставки 2. Поэтому плазменное образование будет иметь воронкообразную форму. Неоднородность плазменного образования (наличие областей с разной концентрацией электронов) обусловлена тем, что электронная концентрация вне области непосредственной генерации плазмы уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от этой области (как для любого потока материальных объектов из локализованного источника).

На оси антенны плазма отсутствует или имеет минимальную концентрацию. С увеличением угла отклонения от оси антенны (на фиксированных расстояниях от области генерации плазмы) концентрация возрастает, достигая своего максимального значения при угле отклонения θ_к, соответствующем максимальной скорости истечения плазмы из плазменного генератора.

Подводящий патрубок 3 выполняет две функции: распыление через перфорированную поверхность газообразного легко ионизированного вещества и крепление конической вставки 2 внутри корпуса анода 1.

Внутри неоднородного плазменного образования воронкообразной формы на оси антенны ΟΖ размещают первичный источник радиоволн 8 на заданном расстоянии R от точки генерации плазмы в фокусе плазменной антенны.

Внутри «неоднородной плазменной воронки» ось антенны ΟΖ оказывается окруженной средой с большей, чем на самой оси, оптической плотностью. В результате излучение первичного источника будет отклоняться в направлении оси антенны ОΖ (явление рефракции), что позволяет получить практически однолепестковую диаграмму направленности антенны с очень низким уровнем боковых лепестков, в предельном случае без боковых лепестков.

Изобретение может быть реализовано с помощью известных антенн и устройств для генерации плазмы, выпускаемых промышленностью.

В качестве первичного источника электромагнитных волн могут применяться различные облучатели апертурных антенн [Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин, В.М. Максимов, Л.И. Пономарев. Устройства СВЧ и антенны. Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радиотехника, 2006, стр. 280]. Плазменные генераторы описаны в патенте [Россия, патент №2255394, H01Q 1/00, 2005].

Плазменная антенна работает следующим образом. Через подводящий патрубок в полость корпуса анода вводятся пары легкоионизирующегося вещества, которое ионизируется, за счет разности потенциалов между анодом и катодом. Форма плазменного образования формируется, за счет выполнения анода плазменного генератора в виде конического диффузора, состоящего из корпуса 1 и конической вставки 2. Неоднородное плазменное образование воронкообразной формы экранирует распространение радиоволн от первичного источника радиоволн 8 во все направления, кроме направления вдоль оси антенны OZ, и одновременно отклоняет эти радиоволны в направлении вдоль оси антенны. Тем самым достигается указанный в изобретении технический результат.

Плазменная антенна, содержащая плазменный генератор, формирующий плазменное образование, и первичный источник радиоволн, отличающаяся тем, что анод плазменного генератора выполнен в виде конического диффузора, состоящего из корпуса и конической вставки, диэлектрически соединенной с подводящим патрубком, поверхность которого выполнена перфорированной, а первичный источник радиоволн установлен на оси антенны на расстоянии R = γ k ⋅ b θ к от плазменного генератора, где γ=2,8…3,0 - постоянная величина, k - волновое число, b - максимальное расстояние от плазменного генератора до границы области с критической концентрацией электронов, θ_к - угол между осью антенны и направлением распространения плазмы с максимальной скоростью.