Режимы работы и излучение сигнала плазменной несимметричной вибраторной антенной

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и
задачи исследования, дана общая характеристика работы и приведено краткое
изложение основных разделов диссертации.
В первой главе описаны плазменные технологии в антенно-фидерных
устройствах. Приведена классификация плазменных антенн и сделан обзор
работ, посвященных плазменным антеннам и плазменным технологиям в
антенной технике. Рассмотрены преимущества и недостатки различных
конструкций и типов антенн. Подробно рассмотрены типы плазменных антенн
из газоразрядных трубок: плазменные линейные антенны (рамочные и
вибраторные; плазменные антенны бегущей волны; зеркальные (рефлекторные)
антенны; волноводно-щелевые плазменные антенны; плазменные антенные
решетки и интеллектуальные («умные») антенны.
Отдельно и достаточно подробно рассмотрены результаты исследований
плазменной несимметричной вибраторной антенны (виды конструкций и
основные характеристики). В диссертации обосновывается выбор в качестве
объекта исследования конструкция плазменной несимметричной вибраторной
антенны (ПНВА) с прямым вводом излучения от коаксиального кабеля
(рисунок 1).
Рисунок 1. Плазменная несимметричная
вибраторнаяантеннаспитаниемот
коаксиальногокабеля:1–коаксиальный
кабель, 2 – газоразрядная трубка с плазмой, 3
– металлический экран.
Конструкция исследуемой ПНВА состоит из коаксиального кабеля 1,
газоразрядной трубки с плазмой 2, один конец которой помещен в расширение
коаксиального кабеля и зафиксирован с помощью диэлектрической вставки, и
металлического экрана в форме диска 3. Внутренний проводник коаксиального
волновода проводами соединен с контактами электродов газоразрядной трубки.
Внешний проводник соединён непосредственно с металлическим экраном.
Достоинствами такой конструкции является её простота, близость к конструкции
аналогичной металлической антенны. Такая конструкция также позволяет
использовать один источник ВЧ или СВЧ колебаний для создания плазмы и для
передачи сигнала. Мощности передающей ВЧ или СВЧ станции в несколько
десятков ватт (~40 Вт) достаточно, чтобы осуществлять передачу сигналов с
помощью плазменной несимметричной вибраторной антенны длиной l ≈ λ0/4, где
λ0 – длина электромагнитной волны в свободном пространстве. В качестве
газоразрядной трубки используется люминесцентная лампа низкого давления со
смесью аргона (давление pа ≈ 130 – 400 Па ≈ 1–3 торр) и паров ртути (давление pрт
= 0,13 – 1,3 Па = 10-3 – 10-2 торр).
Втораяглавапосвященаметодамисследованияхарактеристик
плазменной несимметричной вибраторной антенны, как экспериментальным,
так и численным. В начале главы рассмотрены основные численные методы и
программные комплексы, используемые для моделирования антенно-фидерных
устройствираспространениярадиоволн.Далеепроведеносравнение
результатов моделирования диаграммы направленности (ДН) металлической
несимметричной вибраторной антенны (МНВА) в различных программных
комплексах (MMANNA, EMPro, KARAT) с результатами экспериментальных
измерений. По результатам этого сравнения был выбран электродинамический
код КАРАТ, который не только адекватно моделирует металлические антенны,
но также позволяет выполнить моделирование плазменной антенны как с
применением модели Друде, так и с помощью метода «частица в ячейке» (PIC
метод). В этом электродинамическом коде были созданы две численные модели
плазменной несимметричной вибраторной антенны (раздел 2.3). В первой
модели плазма рассматривается как среда с диэлектрической проницаемостью,
определяемой по формуле Друде, а во второй модели плазма задаётся с
помощью PIC-метода. Раздел 2.4 посвящён описанию методик и лабораторного
стенда, использованных при проведении экспериментальных исследований
диаграмм направленности и спектров излучения плазменной и металлической
несимметричных вибраторных антенн.
В третьей главе приведены результаты аналитических и численных
исследований режимов работы и характеристик плазменной несимметричной
вибраторной антенны, их связи с режимами распространения поверхностной
электромагнитной волны (ПЭВ) на плазменном цилиндре. В разделе 3.1
описывается распространение поверхностной электромагнитной волны на
плазменном цилиндре. Диэлектрическая проницаемость плазмы описывается с
помощью формулы Друде:
 ω p2 νe 
1 − 2 1 − i  , ω >> ν e ,
ω p2 ω ω(1)
ε (ω ) =
1−=
ω (ω + iν e ) ω2ω p2
1 − 2 + i
p
, ω << ν e ,  ν eων e 4π e 2 ne где ω p =– плазменная частота, величина νe – частота столкновений m электронов, ω = 2π f – циклическая частота электромагнитной волны. В параграфе 3.2 исследуется решение дисперсионного уравнения поверхностной электромагнитной волны, распространяющейся на плазменном цилиндре конечного радиуса, в зависимости от различных параметров концентрации плазмы и частоты электронных столкновений в плазме. Выделено три режима распространения ПЭВ на плазменном цилиндре конечного радиуса, которые определяются соотношением плазменной частоты и частоты входной электромагнитной волны. Первый режим при ωp ≈2 ⋅ ω0 , когдадисперсионнаяхарактеристикаподходиткотсечке–режим существованиястоячейповерхностнойэлектромагнитнойволнына поверхности плазменного цилиндра. Второй режим при ωp ≈ 5·ω0, когда дисперсионная характеристика имеет криволинейный участок, – нелинейный режим. Третий режим – линейный, когда ωp ≥ 10·ω0, когда и дисперсионная характеристика поверхностной волны линейна и близка к линии kc. В параграфе 3.3. представлены результаты моделирования в численном коде КАРАТ распределений составляющих напряженности электрического поля в ближней зоне антенны и диаграмм направленности металлической и плазменной антенн при излучении электромагнитной волны на частоте f0 = 1,7 ГГц (ω0 = 1,1·1010рад/с).Причисленноммоделированииплазменнойантенны использовалась модель Друде – модель плазмы как среды с диэлектрической проницаемостью вида (1), а металлическая антенна представлялась с помощью модели идеального проводника. На рисунке 2. представлены распределения поля Er(z) для МНВА и ПНВА в трех режимах работы. Рисунок 2. Распределения составляющей Er по z для плазменной антенны с концентрацией плазмы 1 – ne = 8,0∙1010 см-3 (ωp = 2 ·ω0), 2 – ne = 9,1∙1011 см-3 (ωp = 5·ω0), 3 – ne = 3,6∙1012 см-3 (ωp =10·ω0) и 4 – металлической антенны. Впервомрежиме(режимстоячейповерхностнойволны)при концентрации плазмы ne = 8,0∙1010 см-3 (ωp = 2 ·ω0) формируется стоячая поверхностная электромагнитная волна с длиной λ ≈ 1,5 см вдоль плазменного столба (кривая 1) без излучения её в окружающее пространство. Второй режим – нелинейный – проявляется при концентрации плазмы ne = 9,1∙1011 см-3 (ωp = 5·ω0) (кривая 2), когда есть излучение волны в окружающее пространство, но вид распределения Er(z) для ПНВА сильно отличается от аналогичного для МНВА. В третьем режиме (линейном) при ne = 3,6∙1012 см-3 (ωp = 10·ω0) распределение поля Er(z) и излучение волны в окружающее пространство плазменной антенны близки по характеру к аналогичнойметаллической антенны (кривые 3 и 4). На рисунке 3 для тех же значений концентрации плазмы ne = 8,0∙10 10 см-3, 9,1∙1011 см-3 и 3,6∙1012 см-3 представлены структуры поля Ez(r) для разных режимов работы ПНВА и МНВА. В первом режиме (кривая 1) можно наблюдать как Ez(r) быстро затухает в обе стороны от границы плазма- диэлектрик. В вакууме Ez(r) заметно затухает на расстоянии a = 1 см, что много меньше длины волны, подаваемой на антенну λ0 ≈ 18 см. Это говорит о том, что при ωp = 2 ⋅ 2π f0, антенна работает как линия поверхностной волны без излучения в окружающее пространство. Рисунок 3. Распределения Ez по r для плазменной антенны с концентрацией плазмы 1 – ne = 8,0∙1010 см-3 (ωp = 2 ·ω0), 2 – ne = 9,1∙1011 см-3 (ωp = 5·ω0), 3 – ne = 3,6∙1012 см-3 (ωp = 10·ω0) и 4 – для металлической антенны. НелинейныйрежимработыПНВАхарактеризуетсяналичиемв распределенииEz(r)(кривая2)каксоставляющейповерхностной электромагнитной волны, так и составляющей излучаемой объемной волны. Поверхностная часть волны медленно затухает вглубь плазмы, а излучаемая объемная волна для случая ωp = 5 ⋅ 2π f0 отличается по фазе более чем на 60° от излучения металлической антенны (кривая 4). В третьем режиме работы ПНВА (кривая 2) поверхностная волна быстро затухает в плазме, а объемная часть отличается от случая МНВА (кривая 4) лишь на 20° по фазе. Разница в фазе Ez(r) для реальных ПНВА и МНВА может быть меньше в связи с конечностью скин-слоя в материалах МНВА. Для МНВА и трех рассматриваемых различных случаев режимов работы ПНВА (концентрации плазмы ne = 8,0∙1010; 9,1∙1011; 3,6∙1012 см-3) были построены также диаграммы направленности в прямоугольной системе координат для значений угла θ, взятых от 0 до 90° (0° совпадает с осью антенны) (рис. 4). Для удобства проведения сравнения ДН плазменной антенны (кривые 1–3) были по амплитуде поля нормированы на ДН металлической антенны (кривая 4 на рис.4). Рисунок 4. Диаграммы направленности антенн: плазменная антенна с концентрацией плазмы 1 – ne = 8,0∙1010 см-3 (ωp = 2 ·ω0), 2 – ne = 9,1∙1011 см-3 (ωp = 5·ω0), 3 – ne = 3,6∙1012 см-3 (ωp = 10·ω0) и 4 – металлическая антенна. Как видно на рисунке 4, в случае ne = 8,0∙1010 см-3 кривая 1 близка к 0, т.е. при ωp = 2 ⋅ 2π f0, как уже отмечалось выше, антенна не излучает. В переходном режиме (кривая 2) ne = 9,1∙1011 см-3 и ωp = 5 ⋅ 2π f0 ДН меньше по амплитуде, чем ДН металлической антенны, что говорит о неоптимальной работе антенны по сравнению с МНВА. ДН для режима излучения ne = 3,6∙1012 см–3 и ω p = 10 ⋅ 2π f0 ω при кривая 3 очень близка к кривой 4, из чего следует, чтоp≥ 10 ⋅ 2π f0 плазменная антенна по характеристикам близка металлической [2а-4а]. В разделе 3.4 приводятся экспериментальные измерения диаграмм направленности ПНВА и МНВА, проведенные в безэховой камере отдела 21 АО «НИИ «Кулон». В качестве газоразрядной трубки ПНВА использовалась цилиндрическая люминесцентная лампа низкого давления (pа = 1–3 торр и pрт = 10-3 – 10-2 торр). Электронная концентрация в плазме газового разряда в люминесцентной лампе ПНВА по оценкам находится в диапазоне ne ≈ 1011 – 1013 см-3, что соответствует плазменной частоте fp ≈ 109–1011 Гц). Эти параметры отвечаютлинейномурежимуработыПНВАдлячастотывходной электромагнитной волны f0 = 445 МГц. На рис. 5 представлены нормированные диаграммы направленности в Е- плоскости для ПНВА и МНВА в полярных (рис.5а) и декартовых (рис.5б) координатах. На рисунках видно, что максимумы основных лепестков ДН для ПНВА и МНВА близки по положению в пространстве (50–60° и 300–310°), а уровень бокового лепестка по отношению к основному у ПНВА много меньше, чем у МНВА. Разница в амплитуде основного лепестка диаграммы направленности скорее всего вызвана затратами энергии на ионизацию плазмы и отличиями в соединении ПНВА и МНВА с коаксиальным кабелем [9а]. а)б) Рисунок 5. Диаграммы направленности: 1 – МНВА с l = 29 см, 2 – ПНВА с l = 29 см: а) нормированные на максимальное значение для каждой диаграммы, б) нормированные на максимальное значение диаграммы МНВА. Четвертаяглавапосвященаэкспериментальномуичисленному исследованиям спектральных характеристик излучаемого сигнала плазменной несимметричной вибраторной антенны. Здесь представлены результаты экспериментальныхисследованияспектрасигналов,излучаемыхкак плазменной несимметричной вибраторной антенной, так и аналогичной металлической антенной. В спектре сигнала излучаемого МНВА, наряду с основной частотой излучаемого сигнала f0 = 446 МГц, есть составляющие на частотах второй 2f0 и третьей 3f0 гармоник (рисунок 6a). Этот факт связан с тем, что использованный в эксперименте приёмопередатчик Vertex VX-2100 выдаёт не идеальный моногармонический сигнал, а сигнал с кратными гармониками несущей частоты. В спектре излучения ПНВА (рисунок 6б) заметно усиление составляющих на частоте кратных гармоник: второй 2f0, третьей 3f0 и четвертой 4f0, по сравнению с сигналом от МНВА [9а,11а]. Рисунок. 6. Экспериментальные спектры излучаемого немодулированного гармонического колебания (f0 = 446 МГц) с учетом коэффициента ослабления аттенюатора: а) МНВА, б) ПНВА. Уровень спектральной плотности мощности в спектре ПНВА на частоте основной гармоники почти на 12 дБ меньше (из-за худшего согласования и потерь на ионизацию газа), чем в спектре МНВА, а для остальных гармоник на 10–30 дБ больше, чем в спектре МНВА. На рисунке 7 представлены графики спектральной плотности мощности узкополосного частотно-модулированного сигнала, излученного МНВА и ПНВА. Данные спектры измерены вблизи несущей частоты f0 = 446 МГц в полосе шириной 50 кГц. В спектрах видно не только компоненты на частоте несущего колебания f0 и на частотах f0 ± F с отстройкой F = 5 кГц (F – частота модулирующего сигнала), а также компоненты на частотах f0 ± 2F, f0 ± 3F и т.д. Соотношение спектральной плотности мощности информационного сигнала на частотах f0 ± F (12,21 дБ) и на несущей частоте f0 (12,20 дБ) одинаковы для случая ПНВА и МНВА. Мощность нелинейных комбинационных частот f0 ± 2F в спектре узкополосного частотно-модулированного сигнала излучаемого плазменной несимметричной вибраторной антенной ниже на 20,73±0,19 дБ чем в спектре сигнала, излучаемого металлической несимметричной вибраторной антенной, а для f0 ± 3F разница составляет более 15,32 ± 0,19 дБ. Рисунок 7. Спектральная плотность мощности ЧМ-сигнала: а) ПНВА и б) МНВА. С помощью анализатора сигналов PXA N9030B для детектирования сигнала была исследована спектральная плотность мощности низкочастотного модулирующего колебания (рисунок 8). На частоте модулирующего колебания 5 кГц мощность детектированного сигнала для ПНВА и МНВА одинакова и составляет –62,14±0,19 дБм. Компонента на второй гармонике модулирующего колебания у сигнала от плазменной несимметричной вибраторной антенны на 8,35 ± 0,19 дБ меньше, чем для случая металлической антенны, что косвенно свидетельствует об улучшении соотношения сигнал-шум при излучении ЧМ-сигнала ПНВА. Рисунок 8. Спектр плотности мощности низкочастотного модулирующего колебания, излученного а) ПНВА и б) МНВА. Таким образом, в рамках проведенного исследования излучения ЧМ- сигнала плазменной и металлической несимметричными вибраторными антеннамибылопоказано,чтомодулированныйсигнал,излучаемый плазменной антенной, не уступает по качеству сигналу от металлической антенны. Мощность нелинейных комбинационных частот в спектре ЧМ- сигнала ПНВА заметно ниже, чем в спектре сигнала, излучаемого МНВА. В спектре детектированного сигнала видно снижение спектральной плотности мощности на второй гармонике частоты модулирующего колебания для сигнала от плазменной антенны в сравнении с сигналом от металлической антенны [10а]. Из анализа экспериментальных данных нельзя сделать однозначного вывода о природе нелинейности ПНВА. Нелинейные искажения спектра сигнала могут быть обусловлены нелинейностью плазмы. Для оценки влияния характеристик плазмы на излучаемый сигнал при взаимодействии электромагнитной волны с плазмой в параграфе 4.2 было проведено численное моделирование в коде КАРАТ с использованием PIC модели плазменной среды для трёх режимов работы ПНВА [7а,8а]. Нарисунке9представленымодельныеспектрыкомпонент электрического поля Ez и Er в ближней зоне ПНВА в трех режимах работы антенны,определенныхподисперсионнойкривой:поверхностной электромагнитной волны, нелинейном и линейном. а)б)в) Рисунок 9. Модельные спектры Ez и Er компонент сигнала в ближней волновой зоне ПНВА в различных режимах: а) поверхностной волны, б) нелинейном и в) линейном. При подаче идеального моногармонического сигнала с частотой f0 = 1,7 ГГц на антенну во всех режимах ее работы наблюдается наличие в спектре излучаемого сигнала гармоники на частоте 2·f0. Параметры плазмы в режиме поверхностной электромагнитной волны: плазменная частота fp = 2·f0 = 3,4 ГГц (ωp = 2·ω0 = 2,14·1010 рад/с), концентрация плазмы ne = 1,4·1011 см-3. В ближней волновой зоне антенны (рисунок 9а) в спектре Ez и Er есть низкочастотная шумоваясоставляющая,гармониканесущейчастотыf0 игармоника ленгмюровской частоты fp (вторая гармоника несущей частоты сигнала). Наибольшая амплитуда в спектрах компонент Ez и Er в ближней зоне на частоте f0 = 1,7 ГГц. Для случая Ez амплитуда на основной гармонике в 5 раз больше, чем амплитуда постоянной составляющей и в 10 — чем на второй гармонике. Для компоненты Er амплитуда на частоте f0 = 1,7 ГГц в 1,5 раза больше, чем амплитуда постоянной составляющей и в 15 раз больше, чем амплитуда на частоте fp = f0. Следует отметить, что амплитуда компоненты Er для основной гармоники и постоянной составляющей больше, чем амплитуда компоненты Ez. Для несимметричных вибраторных антенн Er составляющая в направлении основного лепестка ДН (в данном случае вдоль оси r) при удалении от антенны достаточно быстро затухает, что хорошо согласуется с результатами моделирования(описаниеплазмыкаксредысдиэлектрической проницаемостью по модели Друде), описанными в параграфах 3.2 и 3.3. Спектры компонент Ez и Er в нелинейном режиме (плазменная частота ω fp = 5·f0 = 8,5 ГГц илиp= 5·ω0 = 5,35·1010 рад/с, концентрация плазмы ne = 9·1011 см-3) приведены на рисунке 9б. В спектре Ez и Er амплитуда на несущей частоте f0 больше амплитуды второй гармоники в 20 раз. Данный случай заметно отличается от режима поверхностной волны, так как видно увеличение сигнала на частоте излучаемой электромагнитной волны в ближней зоне. Для линейного режима (плазменная частота fp = 10·f0 = 17 ГГц или ωp = 10·ω0 = 1,1·1011 рад/с, концентрация плазмы ne = 3,5·1012 см-3) спектры компонент Ez и Er представлены на рисунке 9в. В спектре Ez и Er амплитуда на несущей частоте f0 больше амплитуды второй гармоники почти в 100 раз [5а,7а,8а]. Один из возможных механизмов, объясняющих появление кратных гармоник в спектре излучения ПНВА, связан с колебаниями электронов в сильных электромагнитных полях СВЧ-диапазона частота (энергия осцилляций электрона в таких полях больше, чем потенциал ионизации атомов газа) [5]. Это явление может приводить к изменению распределения тока в антенне по её длине. Второй возможный механизм — процесс ионизации атомов, который сопровождаетсяэффективнойгенерациейвысокихгармоник электромагнитного поля [6]. Заключение В диссертационной работе было проведено исследование режимов работы и излучения сигнала плазменной несимметричной вибраторной антенны, выполненной из газоразрядной трубки. Также исследовались характеристики излучаемого антенной сигнала и определялись параметры оптимального режима работы антенны. В рамках выполненных исследований были получены следующие основные результаты: 1. С помощью аналитических методов и численного моделирования по теории Друде выделены три режима работы плазменной несимметричной вибраторной антенны, определяемые по дисперсионному уравнению. Эти режимы зависят от соотношения частоты плазменной волны ωp и частоты входной электромагнитной волныω0.Режим стоячей поверхностной волны реализуется при ωp ≈ 2 ·ω0, нелинейный – при ωp ≈ 5·ω0, линейный режим – при ωp ≥ 10·ω0. При оптимальном режиме работы ПНВА (линейном) характеристики излучения ПНВА близки к МНВА. 2. В результате экспериментальных измерений диаграмм направленности ПНВА и МНВА получено совпадение направленияосновных и боковых лепестков ДН и различие в амплитудах ДН (у МНВА амплитуда больше чем у ПНВА). 3. Экспериментально обнаружено, что в линейном режиме в излучении ПНВА присутствуют спектральные составляющие на кратных гармониках входного сигнала с амплитудами отличными от излучения МНВА. 4. С помощью численной PIC-модели плазменной антенны обнаружены нелинейные искажения сигнала в трёх режимах работы, что подтверждается результатами эксперимента. 5. В результате исследования излучения ПНВА узкополосного частотно- модулированного сигнала показано, что в его спектре амплитуды нелинейных комбинационных частот ниже на 20,73 ± 0,19 дБ, чем в спектре сигнала, излучаемого металлической несимметричной вибраторной антенной. В спектре детектированного сигнала, излучаемого плазменной антенной, спектральная плотность мощности на второй гармонике частоты модулирующего колебания меньше на 8,35 ± 0,19 дБ, чем для сигнала металлической антенны.