Способ создания плазменных антенн и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦЯАЛИСТИЧЕСКЙХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ.ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)рз) ОПИСАНИК ЭВТОРСМОМУ Сый университет МЕННЫХ АН- ОСУЩЕСТВНЧ-диапазоне с атов,. Сущность ере формируют(54) СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПЛАЗТЕНН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО(57) Использование: радиосвязь вборта малых летательных алларизобретения: в нижней ионосф ллаэменнйй столб путем возбуждения самосогласованного вдоль геоМагйитного поля плазменноволнового ВЧ- разряда в поле косых ленгмюровских волн и его поляризации НЧ-сигналом. Для увеличения эффективности НЧ-излучения вобласти ВЧ-разряда формируют ускоряюцее поле. Это приводит к образованию спирального потока электронов, синхрониэоваййого с излучаемой НЧ - волной. Устройство дпя реализации способа выполнено в виде электрического вибратора, состоящего из секторов коаксиальных ципийдров, размеры и ори. ентация которйх выбраны определейным образом.2 н.зй ф-лы,2 ил.ИнчК Изобретение относится к технике ра- нч йо, диосвязи, в частности к способам создания плазменных антенн, может быть использовано для возбуждения волновода Земля- ионосфера а ниакочастотном (НЧ) 5 -- сова диапазОне с борта малых летательных аппаратов ЛА) и является усовершенствованиемгде От - потенциал плазменного столба отизвестного способа и устройства, описан- носйтельно фоновой плазмы; ных в авт.св. М 1304694,Известны способ и устройство для со .Окр - Епр буск, здания плазменных антенн.Способ создания плазменных антенн Епр-пробивная напряженность поля; заключается в Формировании в ионосфере буск - диаметр ускоряющего промежутплазменного столба путем возбуждения ка; плазменно-волнового разряда радиоизлу чением с борта ЛА в нижнегибридном диа- щ,:2 д; пазоне частот и поляризации плазмы разряда полем НЧ-вибратора. УстротйствоЬнч- частота импульсов;для создания плазменных антенн содержит ФЬ - частота столкновений ионов с нейразрядный блок в виде двух металлических 20 тральными частицами; колец, подключенных к высокочастотному. Кв-продольноеволновоечислоизлуча- ВЧ) генератору, и электрический вибратор емой НЧ-волны относительйо магнитного подключеннцй к НЧ-генератору, размещен- поля Земли). ный соосно с металлическими кольцами с Поставленная цель достигается гакже возможностью ориентировки оси вдольмаг- тем, что в устройстве для созданйя плазмен 25 нитного поля Земли, . ных антенн по авт.св, М 1304694, п.2, соСозданные таким образом плазменные гласно изобретению, электрический антенны могут быть достаточно протяжен- вибратор выполнен в виде металлических ными (их длина .11 3 1 км), легкои быстро сеток в форме секторов двух коаксиальных разворачиваться в пространстве, без про цилиндров, размещенных симметрично отблем могут быть доставлены в ионосферу на носительно их оси. При этом диаметр и плоракетах малойдальйости щадь разрядного промежутка драэр, Яразр,Недостаткомописанныхспособаиуст- образованного внутренним цилиндром, и ройства является сравнительно малая вели- диаметр и площадь ускоряющего промеж- чина токов поляризации, что ограничивает 35 ка буск, Зуск выбраны из соотношения величину излучаемой такой антенной мощности, РаспРеДеление тока полЯРизаЦии по. 40 0. ЗуЯр р,40 5 ас 60 ускраэр дЛине плазменного столба в плазменной антенне определяется отрезком синуса с нулем на конце столба и амплитудой, 40 ,1омар ограниченной полем пространственного заряда, который создается этим током на кон-,Цель изобретения - увеличение эффек- . 1. щ цттивности НЧ-излучения плазменных антенн 45 в ионосфере с борта летательного аппарата где е, в - заряд й масса электрона;Поставленная цель достигается тем, что Евч - амплитуда электрического ВЧ-по- в способе создания плазменных антенн в ля ионосфере Земли по авт.св. Ь 1304694 п.1, в = 2 И- его круговая частота согласно изобретению, в области ВЧ-разе - длина свободного пробега электро- ряда Формируют ускоряющее поле, которое нов, составляет угол а с направлением магнит- при этомось ускоряющего промежутка ори- . ного поля Земли, причем его создают в ус- ентирована под углом а к направлению коря ющем промежутке, к кторому магнитного поля Земли, а НЧ-генератор выприкладывают импульсное высоковольтное 55 полнен в виде генератора управляемых сенапряжение Оуск., управляемое НЧ-сигна- рййвысоковольтныхимпульсов. лом, которое выбирают из соотношения Выполнение совокупности указанныхотличительных признаков: создание в облаОкрОуск Ост сти ВЧ-разряда ускоряющего промежутка суправляемым полезным НЧ-сигналом высокавольтным импульсным напряжением, Оук), В противномслучае нельзя заметно подбор величины и частоты модуляции ус- изменитьдиффузионныетоки, Сдругайстакоряющего напряжения, геометрических роны, еслй ускоряющее пола (Еуск размеров ускоряющего и разрядного про- "впуск/буек) будет превышать величину промежутков - пазволяетполучитьвизвестном 5 байного поля в столбе (Епр), будут велики способе новый Физический эффект - стиму- потери энергии надаполнйтельцуюионилирование направленных потоков заряжен- зацию плазмы в столбе. Возбуждение ных частиц, формирующих в ионосфере НЧ-волн наиболее эффективно при резо- ..вытянутые вдоль магнитного поля Земли нансном взаимодействии спирального по-, замкнутые токовйе конФигурации; спираль тока электронов с полем ЙЧ-волны, т.е, ный электронный поток замыкается через Ки ЧцйЪчКи, Чгг - проекции волнового поперечный ионный поток итак "коротко- вектора возбуждаемой волнц и скорости го замыкания" па фоновой плазме. Моду- электронов на направлейие магнйтного поляция таких токов позволяетполучить в ля Зегугли). По этим прггчйнам величзугна ускО- ионосфере НЧ-источник С таковым Момен ряющего потенциала Оу,к нэ ускоряющем там10 А М или дипальным моментом промежутку диаметр промежутка дубк) дал- Р 10 А. М.:.,: . жна удовлетворять условкиймНа фиг,1 представлена блок-схема устройства для реализации способа; на фиг,2 - Окр =- Елр впуск р впуск Уст,конкретный вариант практического образца 20плазменной-антенны..Устройства содержит две металлические сетки 1, 2, распелокеные соосно на: уск н2 е г.гУрасстоянии беяр дрУг от друга и образуЮ- . и . Кщие разрядйый промежуток 3. Каждая из 25сеток 1, 2 соединена с одним из пративапа- Частота следования ускоряющих имложных выходов ВЧ-генератора 4, Металли- пульсов должна быть меньше эффективной ческие сетки 5 й 6, установленные соасгга на частоты сталкггавений ионов г, гягуг) а дли-" расстаянии впуск друг ат друга, образуют ус- тельнаать ускоряющего импульСа тигдг далкаряющий промежуток 7, Сетки 5, 6 саади жнэ быть больше времени 1/Ъ, В нены с выходами генератора управляемых противном случае диффузия неуспеетпере-, серий высоковольтных импульсов 8, ката- строиться за время действия ускоряющегорый включает в себя генератор ускоряющих паля, и замыкаггия выбрасываемых потоков импульсов и НЧ-генератор,. Не будет.Способ, Реализуемый устройствам 35 Величина така спирального потокагфиг.1, 2), осуществляют следующим абра- электронов ге существенна больше тока зам. Сигнал от ВЧ-генератора 4 подагат на донов гь поскольку скоростьэлектронов Че сетки 1, 2. В Разрядном ггромежугке 3, ари-Чг, Замыканиее происходит через диффуеггтираванйам под углам а гс магнитному зианный поток ионов со всей поверхности полю Земли, Фармиругот разряд в аиДе са положительного столба разряда, частью ка- .масфакусираваннага плазменного столба, тараго являетсяг. При выполнении условий вытянутого вдоль магнитного йоля Земли. В синхранизма Кгг Чгг= вггч спиральный патах области ВЧ-Разряда саздагатускоряющий электронов мажет стуществеггно увеличить промежуток 7, ахватг:гвающий Разрядный излучаемуга мощность, так как излучаемая прамежутак 3 и Размещенггыйсггимсаасна 45 мащггасть Ю ргх г. р, дМОЩНОСТЬсинхр" есгях Х синхрГДЕК промежутку 7 с помощью сеток 5 и 6 при- -синхр длина участка столбана катакавольтнае импульс ае ап яР Р ся с йхртаниза ия потокагенератора 8, чта позволяет сФормироватьнаправленный спиральный лоток электрав вдаль и патах ионов поперек мнагнитнИз Условий синхранизма спиРальнага га поля Земли. Плазменнб-волновой разряд потока злетронов свозбуждаемой волной ега длина Ь) сравнительно тонок папереч- и необходимости получения дОСтатсчно ный размер разряда г 1гг) и мажет быть бальшаго патака ионов, выбрасываемых:з легко перекрыт электродами разряд, гаго 55 ускоряющего промежутка йрймерна на гипРомежУтка плащаДь пластин Яу,к) РараДиус в СтаранУ от Столба, следУе"чтаВеличина ускоряющего напряжения аптимальныМ является угол бв интервале гуск должна заметна. лревйшать величину ат 40 да 60ПРИУглах й 60 О необходимо потенциала положительного столба (ц сильно увелИчить Цск, тсик как уменьшаетсятак эггектранав 4, в прй й 40 заметнауменьшаются величина тока 1 и значение гирорадиуса ионов Яь а следовательно, и размер токовой петли,т.е. величина диполь- ного момента М - 1 Ь ЯьДля эффективного возбуждения ВЧ разряда необходимо, чтобы размеры раэ 10 е Евч оразр--п 1 р 215 так как в противном случае поле ускоряющего промежутка используется неэффективно.При буск1 е возрастают потери энергии нэтепло и ионйзацию, а при е Евч впуск - бразр--Яэить некоторую часть ускоренных полем ускоряющего промежутка электронов, 30 ющим электродам, закручивает и выбрасывэет электроны вдоль столба разряда, а ионы при ускоряющем напряжении Обыск 910з Й выбрасываются из ускоряющего промежутка и частичйо диффундируют иэ положи-. тельного столба поперек магнитного поля и 40замыкают ток выбрасываемых вдоль столбаэлектронов через ток "короткого эамыкэ;ния" фоновой плазмы, Положительныйстолб разряда является достаточно эффек-тивным источником ионов, что позволяет 45замкнуть возбуждаемые НЧ-токи и, следовательно, существейно повысить пороги поляризационных неуСтойчйвостей по. величине тока. Величина ионйого тока из разрядного промежутка, определяющая ам плитуду излучающего тока 1, зависит от плотности плазмы Йе, плОщади сеток Зуск и ускоряющего потенциала Оус. При небольших энергозатратэх мощность генератора Щ10 кВт), напуске газа в окрестность 55 антенны, Оуск 3 кВ, впуск ф 2 м, йе 102 9см, могут быть достигнуты значения тока 1 е Ие Ч впуск50 А . При длине столба Ь -5 км, гирорэдиусе ускоренных ионов, рядного промежутка были больше амплитуды осцилляций электронов в области сильного поля. Поэтому Для ускоряющего промежутка 1 евпускбразр+ --е ЕачФ поле разрядного промежуткаможет торМо.Ориентированное под углом а к линиям магнитного поля Земли поле высоковольтных импульсов, подводимых к ускоряазота Я1 км, 1 )50 А эквивалентный дипольный момент такой антенны М" 1 Ап Я 1 ) 10 Ам, что позволяет получить8 2на поверхности Земли в диапазоне частоте Г 100 Гц достаточно большие значения напряженностей полейе - 1 о вгик, н - 1 о Агц " -1 тПримером осуществления устройствадля 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 тросйки), а пунктирными - диэлектрические шнурки.Плазменная антенна представляет собой два набора коаксиэльных цилиндрических сеток, образующих соответственно разрядный и ускоряющий и ромежутки. Про тиволежащие друг другу секторы внутренних сеток 1,2 (по 120 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, Коэксиальные сетки 1, 2 и 5, 6 закреплены на самораскрывающейся под давлением внутренних газов антенной стойке 9. Ячейки сеток противолежащих сектороа изготовлены иэ 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 текстолитовомфланце 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 растяжке1786969 12 к внешнему эаметаллизироаанному сектору 6.Предлагаемое решение позволяет использовать сравнительно малые летатель" ные аппараты (типа метеоракет МР) для 5формирования в нижней ионосфере достаточно эффективных СНЧ-излучателей, реализующих воэможность создания мобильных командных радиолиний СНЧ-диапазона, В10 2. Устройство для создания плазменной антенны по авт. св. М 1304694, отличающееся тем, что, с целью повышенияэффективности. излучения плазменной ан.тенйы, электрический:вибратор выполненв виде металлических сеток в форме секторов двух коаксиальных цилиндров, размещеннйх симметрично относительно их оси,20 при этом диаметр и йлощадь разрядногопромежуткЭ брвзр, Зрвзр, образованноговнутренним цилиндром, и диаметр и площадь ускоряющего промежутка буск, Зусквыбраны из соотношений40 с а 5 60, ЗускЗразреУп Евч Ъ брвзрдрвзр -"2е Евч.Евч - амплитуда электрического ВЧ-поля,в2 г 1- круговая часоа ВЧ-поля;Ье - длина свободного пробега электронов,1при этом ось ускоряющего промежуткаориентирована под углом а к направлению магнитного поля Земли, а НЧ-генерэ 40 тор выполнен в виде генератора управляе. мых серий высоковольтных импульсов. Формула изобретения 1, Способ создания плазменных антенн по авт. св. Ь 1304694 п.1, отличающййся тем, что, с целью повышения эффективности излучения плазменных антенн, в области ВЧ-разряда формируют ускоряющее поле, которое составляет угол а с направлением магнитного поля Земли, причем его создают в ускоряющем промежутке; к которому. прикладывают импульсное высоковольтное напряжение Оуск, управляемое НЧ-сигналом, которое выбирают из соотношенийОкрОускОсттнчР иеиуск соэа 0 нчК 11где Ост - потенциал плазменного столбаотносительно фоновой плазмы;Окр - Епр ф впуск,Епр - пробивная напряженйость поля; буек - диаметр ускоряющего промежутка;Онч = 2 О нч,Тнч - частота импульсов "Пуск";ип - частота столкновения ионов с нейтральными частицами;К 11- продольное волновое число излучаемых НЧ-волн (относительно магнитного йоля Земли). результате появляются возможности значительной экономии материальных и энергетических затрат, связанных с сооружением и эксплуатацией стационарных СНЧ-радиостанций,56) Авторское свидетельство СССРМ 1304694, кл. Н 01 0 9/00, 1980,