Низкочастотная антенна космических аппаратов

 

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.

CO)03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 01 Q 1 /28

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) »»,.:т.», ь я :, » . :»

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 5006371/09 (22) Р3.07.91 (46) 80.08.93. Бюл. М 32 (71) Нижегородский государственный университетт им.Н.И.Лобачевского (72) Г.А.1У1аркав и А.B.Kóäðèí (73) Нижегородский гасударственный универСитет им.Н.И.Лобачевского (56) Авторское свидетельство СССР

hL 1477499, кл. Н 01 0 1/00, 1983, (54) НИЗКОЧАСТОТНАЯ АНТЕННА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (57) Использование: техника радиосвязи в космосе (возбуждения волновода "ЗемляИзобретение 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. Зто 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 аппаратов(ЛА). Для ряда прикладных задач важное значение имеет возбуждение из ионосферы, При этом большой практический интерес представляет, в частности, так называемый свистовый диапазон частот в:

Я» « а « а,, И « аР (1) „„ „„1838851 АЗ ионосфера" 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. где аР— плазменная частота электронов в ионосфере, cth», Qi — соответственно значения гирочастоты электронов и ионов, 8 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 иэ ионосферы на границу приземного волнавода проходят в волновод и дастига ат наземных приемников.

Существуют различные типы НЧ антенн летательных аппаратов, предназначенных для возбуждения валновода Земля — ионосфера. Так, например, известны тросовые антенны, буксируемые в атмосфере летательными аппаратами, либо поднимае1838851 мые над поверхностью Земли при помощи воздушных шаров и аэростатов. а также дипольные 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 ионос- 10 феры в волновод. Например, в высокоширотной ионосфере, где направления тросового излучателя, поля тяжести (то есть градиента концентрации плазмы v N< в ионосфере) и геомагнитного поля Жо совпадают, вертикальные тросовые (или дипольные) антенны вообще не возбуждают волны с волновыми векторами К // r7 Ne, которые могут проходить из ионосферы в волновод, Во-вторых, входной импеданс таких из- 20 лучателей 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 25 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, В-четвертых, эффективность тросовых систем снижается из-за неравномерности распределения тока по проводу, проявляю- 35 щейся особенно заметно при возбуждении излучателя с одно о конца, Известны также петлевые антенны, согласование которых с генератором в принципе осуществимо, поскольку их входной. 40 импеданс (при не слишком больших элект-рических размерах петли) слабо зависит от параметров плазмы. Однако для эффективной работы в качестве излучателя такие антенны должны иметь достаточно большие 45 размеры, сравнимые с длиной волны в ионосферной плазме. Например, петлевая антенна типа ОРА-20, использованная в экс-. перименте "Активный", представляет собой круговук петлю диаметром 2а=20 м, выпол- 50 ненную из полой металлической трубки.

Эксперимент "Активный" показал, что даже при сравнительно небольших размерах петлевой антенны (20 м) ее довольно трудно развернуть в космическом пространстве, 55

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

Однако спектр излучаемых такой системой волн не является оптимальным для возбуждения волновода Земля — ионосфера.

Большая часть энергии, излучаемой антенным устройством по прототипу приходится на квазипродольные волны (К I I Bp}, направления волновых векторов К. которых не совпадают с градиентом концентрации плазмы в ионосфереРЙ на средних и низких широтах. Кроме того, при каждом новом включении антенного устройства, 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 весьма большим и даже превысить транспортные возможности КА.

Целью настоящего изобретения является обеспечение эффективности возбуждения волновода Земля-ионосфера антенной, расположенной на борту КА, и экономия бортовых запасов нейтрального газа.

Поставленная цель достигается в НЧ антенне космических аппаратов, содержащей расположенные на борту КА излучатель, возбуждающий генератор и блок напуска газа, в отличие от прототипа, снабженной коаксиальной возбуждающей системой, образованной соединенным с одним из выходов генератора внешним электродом воронкообразной формы, размещенным в корпусе КА с раскрывам на его внешней поверхности, и соединенным с другим выходом генератора излучателем, выполненным в виде проводящего троса, пропущенного 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 га1838851 (6) 3э прмещен внутрь коаксиальной возбуждающеИ системы, давление P нейтрального газа, связано с напряженностью электрического поля Е (В/см) на раскрыве возбуждающей системы соотношением

8,35 10 P()5 4 ) v г(1+ — 1

) — + Vч

0 1е (2) оо

2 где бо — средний диаметр оболочки, см;

91.— амбиполярный коэффициент поперечной диффузии плазмы в магнитном поле, см /c; я, — частота рекомбинации заряженных частиц в плазме, с;

-1, а) — круговая частота генератора, рад/с;

>e — эффективная частота столкновений Электронов, с, -1 э диаметр оболочки бо, длина троса L u период гофрз D удовлетворяют условиям:

hodo )1, (3)

Kill»1, (4)

О— (5) где по — постоянная распространения основной пространственной гармоники медленных кваэиповерхностных волн, направляемых сформированным полем этих волн столбом плотной плазмы вокруг троса, Кя — 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 коэксиальной возбуждающей системы с гофрированной диэлектрической оболочкой вокруг. центрального электрода (троса) создает оптимальные условия для возбуждения волнрвода Земля-ионосфера с борта КА.

Предлагаемая система изображена нэ 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, возбуждаю.щий генератор 2, патрубок блока напуска нейтрального газа 3 (блок на фиг. 1 не обозначен), внешний электрод коаксиальной возбуждающей системы 4, проводящий

55 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(2)=de + Л dcos P Z (Z — координата, отсчитываемая вдоль троса, Л d < de). К тросу 5, окруженному оболочкой 6, через коаксиальную 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 (v„) и их диффузией нэ внешнюю стенку (оболочку) разряда (0. /бо ).

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 6 медленная волна, распространяющаяся вдоль плазменного столба, все время переизаучается в более быстрые собственные волны фоновой ионосферы, волнавые вектора которых лежат в интервале

К, К+ Ь К. При условии (4) ширина ЬК такого волнового пучка мала: Л Kl « I Fl поэтому далее мы будем рассматривать в ионосфере только волну с волновым вектором К. Выбором периода гофра 0 (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 переиэлучен ия в фоновую ионосферу. Оговоримся сразу же, что для простоты мы будем рассматривать далее случай высокоширотной ионосферы, в которой направления геомагнитнОГО поля и пОля тяГОтения совп&дают.

При довольно естественном ограничении на.толщину диэлектрической оболочки

Ь

hllbr VQ«1

1838851 е е присутствием можно пренебречь (здесь

О = а4/с/Р), Ьн - К,Рв — постоянная распространения строго продольной свистовой волны с волновым вектором К = hn 2 // Зо в однородной плазме с концентрацией, равной концентрации плазмы вокруг троса, Kp — волновое число в вакууме). При дополнительных условиях

hd «dp, h11 Ь у1.) « 1, t!п(ЬН Ь |/1.)) » 1, (7) где Ь вЂ” радиус троса, дисперсионное управление для собственных мод, направляемых плазменным столбом с тросом на оси, пааллельным внешнему магнитному полю о, переходит в дисперсионное управление для однородного плазменного цилиндра радиуса do, ориентированного вдоль поля Во и окруженного фоновой плазмой меньшей плотности. Постоянная распространения h отдельной моды является корнем этого уравнения, которое при условиях (б), {7) и а > ) в1 н(а1 н — нижняя гибридная частота) будет иметь вид:

j (Q1) Ч + С1К + С2Н )J(Q2)

= (CaJ(Q1)+ KjH(}+ С/1.)(01)К, (8) где

J1 0> К1 S1

"(©)- . а, K=S«o S1 (1} Н1 S2 1)

SP Н (S2) .4, Ко, Но /- функции Бесселя, МакдональДа и ХанкелЯ соответственно, Q1 = Kpdpq1, Si = Кобр81, 1— = 1,2, . с,1,гг P (U/2 1) -V +(РО/2)

1/ Р2

О

su =(pU/г) Я и

+(Р (О/2- 1)- Ч), О (10)

Ю Ф V

С1 = Со(2 - 1)(2 Ч-N1) С2 = Co(N2Ч чг

-Иг)(И1 — - X 1), V (11) юГ

Сз Сор41 2)(1н11 Щ, С4 = Со(1

Ч

Й1)(1ч2 1ч2).

Ч

Со (11 N2) (ч1- юг), N1,2 =(Р +

"1/р2 4 ) ЪП/г, О и„-/р ð2 и 1vQ/ã,p=h/Ko, О

V - ига/а)2, V - сЩ/с/Р вр и маг - значения плазменной частоты электронов вне и внутри волновода соответственно, 50

Переизлучение медленной волны из канала в более быструю волну фоновой плазмы осуществляется благодаря специально подобранной форме d(Z) боковой стенки волновода, В волноводе с гофрированной стенкой наряду с основной модой ho pac- j пространяется бесконечное число пространственных гармоник с постоянными распространения по - hо + и P, /) = 2z /О, Π— период гофра. и =+1, +2„..:

E(r), ln(r ) "ê" z

o =-o0

В случае сг)н/м» 1, I hi бо > 1 (см. (1), (3)) дисперсионное управление (8) имеет рещения в виде дискретного спектра: hm - h m

- В"и, Ь"п «Ь „,, m = 0,1„.. При этом в

5 представляющем для нас наибольший интерес случае Ч/Ч» 1 выполняется соотношение 2Ко V7/О < h m < Ьи . Малая мнимая добавка h" к постоянной распространения h m связана с утечкой энергии из кана10 ла, обусловленной частичной трансформацией захваченной в канал крупномасштабной моды, отвечающей участку

+q1 на поверхности волновых векторов (фиг. 2), B мелкомасштабную вытекающую волну, отвечающей участку q, При далью нейшем рассмотрении в силу услови.h"m «h m мы будем пренебрегать этой утечкой энергии из канала. Заметим также, что в представляющем практический инте20 рес достаточно узком столбе(И do 1) существует только одна (основная) распространяющаяся медленная мода с постоянной распространения h = hp.

В заявке не приводятся подробные ре25 зультаты, относящиеся к плазменному волноводу с повышенной плотностью в диапазоне частот и <г))1 н. Теоретический анализ показывает, что и в этом случае в канале могут распространяться медленные

30 поверхностные волны, B частности в интервале + < o) (а)щ ветви с12 (см, формулу (9)) отвечает вне волновода чисто поверхностная (невытекающая) волна. Поэтому мнимая часть h " здесь обращается в нуль.

Заметим также, что при условии (3) и достаточно высокой концентрации плазмы в столбе(Ч» V) практически вся излучаемая через раскрыв КВС мощность уходит в направляемые таким каналом поверхностные

40 волны. Получению высоких значений концентрации плазмы вокруг троса способствует наличие удерживающей плазму гоазонепроницаемой оболочки. Кроме того, при наличии оболочки осуществляется эко45 номия газа, 1838851

10 ствующего закона периодического изменения диаметра столба вся энергия, переносимая медленной модой вдоль плазменного волновода, переиэлучается 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,. 30 изображена на фиг, 3. В ионосфере высоких широт практический интерес представляет генерация в фоновой ионосфере интенсивной квазипродольной (К .«Кц ) свистовой волны, способной пройти в волновод Земляионосфера и возбудить электромагнитное поле на поверхности Земли, На фиг. 3 покаЗаны поверхности волновых векторов для плазмы с концентрацией Na, равной кон40 чает волновому вектору в ионосфере для волны, выходящей в приземный волновод (то есть Кц < Кф), то в ионосферной плазме антенна возбуждает волновой пучок с шириной Ь К!= K max «Kï . Это означает, что 50 излучение тросовой антенны будет сосредоточено как раз в наиболее оптимальном для возбуждения волновода

Земля-ионосфера спектральном интервале 05 К + К „„, «Ê ц, 65

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 призем00

«Ф

H(r) = < Ип(ф h (12) и — — 00

Соответствующим выбором периода О легко добиться, чтобы среди пространствен(ных гармоник появились "быстрые", для

КОТОРЫХ Ве!}п! «Ьо. НаПРИМЕР, В СЛУЧаЕ

n - -1, P < ho, Кц = h-i, где ʄ— проекция волнового вектора К на направление троса некоторой волны в фоновой ионосфере (KII «ho) энергия замедленной кваэипоВерхностной волны излучается со стенки олновода в окружающее пространство.

При этом необходимо выбирать такое значение ho = Кц, чтобы для отвечающей ему

Волны в ионосфере с волновым вектором К на нижней кромке ионосферы выполнялось условие К ! V !че, при котором излучение проходит в приземный волновод.

Таким образом, за счет выбора соответцентрации плазмы вокруг троса, и для фоновой nllазмы ионосферы с концентрацией

Ne «Ne, Кф — постоянная распространения строго продольной свистовой волны в ионосфере. Если величины ho, Кц, 0 удовлетворяют условию (5), а значение Кц отве5

20 ный волновод(очевидно, что Кц- lZ I cosp ).

"Настройка" на нужное значение Кц при изменении координат КА легко осуществляется путем соответствующего изменения постоянной распространения ho; являющейся функцией концентрации плазмы Na вокруг троса. Изменяя концентрацию плазмы Na 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 раскрыва, при этом блок напуска нейтрального газа соединен патрубком с коаксиальным возбудителем, причем давление Р нейтрального газа выбрано иэ соотношения:

8,38 10 Р (. ) 1" а

2 (1 + — } пР й

1838851

12 где do — средний диаметр эластичной газонепроницаемой диэлектрической оболочки;

0 — коэффициент поперечной амбиполярной диффузии плазмы в магнитном поле; vg — частота рекомбинации заряженных частиц в плазме, E — напряженность электрического поля на раскрыве коаксиального возбудителя; м- круговая частота возбуждающего генератора: — эффективная частота столкновений электронов, при этом период гофра О, диаметр оболочки

do и ДлинаЬроводящего троса L выбраны из соотношения

0 *

"ho- Kll

hodo )1, KIRIL» 1, 5 где ho — постоянная распространения основной пространственной гармоники медленных квазиповерхностных волн, направляемых столбом плотной плазмы, 10 сформированным полем этих волн вокруг проводящего троса:

Кв — величина проекции волнового вектора в ионосфере на направление вдоль проводящего троса для волны, проходящего

15 в волновод Земля-ионосфера.

1838851

Ф Г З

Составитель Г. Марков

Техред M.Ìîðãåíòàë . Корректор Л. Филь

Редактор С. Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2927 Тираж Подписное

ВНИИПИ. Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5