Способ возбуждения волновода земля - ионосфера низкочастотной тросовой антенной космического аппарата

 

Использование: в системах низкочастотной радиосвязи. Сущность изобретения: возбуждают волновод Земля - ионосфера путем создания вокруг тросовой антенны космического аппарата, ориентированного вдоль геомагнитного поля, гофрированной плазменной оболочки и возбуждают в ней медленную квазиповерхностную волну, которая переизлучается в собственную волну ионосферной плазмы. При этом осуществляют подстройку волнового вектора переизлучаемой волны на вертикальное направление непрерывным качанием его относительно вертикали, которое осуществляют сканированием частоты возбуждающего сигнала и/или изменением плотности плазмы в гофрированной оболочке. 2 ил.

Изобретение относится к низкочастотной радиосвязи и может быть использовано для возбуждения волновода Земля ионосфера с борта космического аппарата (КА).

Известен способ возбуждения волновода Земля ионосфера источником, расположенным на борту КА, заключающийся в формировании в ионосфере потока низкочастотного (НЧ) электромагнитного излучения, падающего сверху на границу приземного волновода.

Недостатком этого способа является низкая эффективность возбуждения волновода Земля ионосфера. Как известно, для эффективного возбуждения ионосферным источником НЧ электромагнитных волн вблизи поверхности Земли необходимо, чтобы в формируемом им в ионосфере волновом пучке направления волновых векторов были близки к вертикальному направлению. Этому требованию указанный способ не удовлетворяет. Кроме того, полная мощность излучения источника является весьма незначительной вследствие его малых электрических размеров.

Последний недостаток преодолевается в решении, в котором для увеличения излучаемой мощности в НЧ-диапазоне предлагается использовать в качестве антенны трос космической привязной системы. Тросовая привязка система состоит из комического аппарата, длинного проводящего троса (длина свыше 10 км) и субспутника, вытягивающего трос. При движении КА в геомагнитном поле между концами троса наводится разность потенциалов, приводящая к появлению в тросе электрического тока. В случае включения в разрыв троса источника переменного напряжения либо прерывателя, замыкающего и размыкающего цепь с заданным периодом, тросовая система работает как обычная антенна, излучающая в окружающую ионосферу электромагнитные волны соответствующей частоты. Сравнительно высокий уровень излучаемой мощности достигается при этом за счет больших электрических размеров антенной системы. Указанное решение принято в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является то, что в волны с направлениями волновых векторов, близкими к вертикали, идет незначительная часть полной мощности, излучаемой тросовой привязной системой. Кроме того, мощность, идущая в данные волны, непрерывно изменяется (при полете КА) из-за быстрого изменения параметров окружающей плазменной среды, что делает невозможным надежное и устойчивое возбуждение сигналов в приземном волноводе.

Целью изобретения является обеспечение эффективного возбуждения волновода Земля ионосфера тросовой антенной КА при любых возможных колебаниях параметров окружающей антенну среды.

Цель достигается в способе возбуждения волновода Земля ионосфера НЧ тросовой антенной КА, заключающемся в формировании в ионосфере полем антенны потока НЧ электромагнитного излучения путем создания вокруг троса ориентированно вдоль геомагнитного поля гофрированной плазменной оболочки с периодом гофра D (1) возбуждения бегущей вдоль троса медленной волны, которая переизлучается в более быструю волну ионосферной плазмы, и сканирования частоты возбуждающего сигнала в интервале ω±2ω (N_ф/N_е)^1/2 и/или изменения плотности плазмы в оболочке в пределах N_e ± 2(N_ф/N_e)^1/2, где h постоянная распространения медленной волны вдоль троса; К_II проекция волнового вектора переизлучаемой волны на направления внешнего магнитного поля; ω частота возбуждающего сигнала; N_e плотность плазмы в оболочке; N_ф плотность фоновой плазмы. Сканирование частоты и/или изменение плотности плазмы в оболочке вызывают непрерывное качание волнового вектора переизлучаемой волны в довольно широком интервале углов, заведомо включающем такое направление , которое является оптимальным для возбуждения вол- новода Земля ионосфера. Необходимые для этого интервалы Δω,Δ N_e изменений частоты ω или плотности плазмы N_еявляются весьма малыми (Δω<<ω,Δ N_e << N_e) и поэтому могут быть легко осуществлены.

Наличие отличительных от прототипа признаков указывает на соответствие предлагаемого решения критерию "новизна".

Анализ других источников показал, что осуществление подстройки волнового вектора на вертикальное направление с целью повышения эффективности возбуждения волновода Земля ионосфера путем создания вокруг троса гофрированной плазменной оболочки, возбуждения бегущей вдоль троса медленной волны, переизлучаемой из-за наличия гофра в фоновую плазму, и сканирования частоты возбуждающего сигнала и/или плотности плазмы в оболочке ранее не было известно. Отсюда следует, что предлагаемое решение обладает изобретательским уровнем.

Устройства, реализующие заявленный способ, могут быть различными по конструктивному исполнению. Один из возможных вариантов устройства представлен на фиг. 1. Устройство состоит из генератора 1, блока 2 амплитудной и частотной модуляции, установленных в корпусе 3 КА, тросовой антенны 4, пропущенной через раскрыв внешнего электрода 5 воронкообразной формы, гофрированной плазменной оболочки 6, ограниченной тонкой эластичной диэлектрической стенкой 7, патрубка 8 напуска нейтрального газа, субспутника 9, растягивающего трос вдоль геомагнитного поля. Возбуждающий генератор 1, блок 2 амплитудной и частотной модуляции и внешний электрод 5 в совокупности составляют возбуждающую систему тросовой антенны. На фиг. 2 изображена диаграмма, поясняющая управление волновым вектором переизлучаемой в ионосферу волны в представляющем повышенный практический интерес свистовом диапазоне частот ω: ω_LH << ω << ω_H << ω_p (2) (ω_LN нижняя гибридная частота; ω_Р и ω_Н плазменная частота и гирочастота электронов соответственно).

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Вокруг троса НЧ-антенны, ориентированного в ионосфере вдоль геомагнитного поля, формируют гофрированную плазменную оболочку, концентрация плазмы в которой во много раз превышает концентрацию фоновой (ионосферной) плазмы. Созданный таким путем плазменный столб является в диапазоне частот (2) волноводом для медленных квазиповерхностных волн. Возбуждаемые в данном волноводе медленные волны, распространяясь вдоль столба, непрерывно переизлучаются из-за наличия гофра в более быстрые собственные волны фоновой плазмы, формируя таким образом поток электромагнитного излучения в ионосфере. Далее путем сканирования частоты возбуждаемого сигнала либо плотности плазмы в оболочке производят качание волнового вектора KVec переизлучаемой волны в широком интервале углов с тем, чтобы он проходил оптимальное вертикальное направление. В результате достигается подстройка вектора KVec на вертикальное направление, а следовательно, и повышение эффективности возбуждения волновода Земля ионосфера. Изменение частоты возбуждающего сигнала осуществляется за счет изменения частоты генератора, возбуждающего антенну. Изменение плотности плазмы в оболочке осуществляется либо путем изменения амплитуды возбуждающего сигнала, либо путем изменения давления газа, напускаемого в оболочку.

Физические принципы качания волнового вектора переизлучаемой волны поясняются фиг. 2, на которой показаны поверхности волновых векторов К_II(К_I) в свистовом диапазоне частот для однородной плазмы с концентрациями, равными концентрации плазмы в столбце (кривая 1) и в фоновой ионосфере (кривая 2). На диаграмме фиг. 2 используются следующие обозначения: h постоянная распространения медленной волны вдоль плазменного столба, волновой вектор переизлучаемой волны, K_II проекция волнового вектора на направление геомагнитного поля, К_о^Р- постоянная распространения свистовой волны вдоль геомагнитного поля в однородной плазме с концентрацией, равной концентрации плазмы в оболочке, К_оР_ф постоянная распространения свистовой волны вдоль геомагнитного поля в ионосфере, К_оР_с проекция волнового вектора волны конической рефракции на направление геомагнитного поля в ионосфере, K_o= волновое число в вакууме (с скорость света в вакууме), P_c= 2 P_ф= P ω_p и ω_рф значения плазменной частоты электронов в плазменной оболочке и ионосфере соответственно, D период гофра оболочки.

Величина K_II, постоянная распространения h и период гофра D подчиняются соотношению (1), где K_oP_c < K_II < K_oP_ф (см. фиг. 2). В силу условия ω_рф << ω_p (концентрация плазмы в оболочке много больше концентрации ионосферной плазмы) выполняются неравенства: K_II << h; h .

Выражение для h в общем случае не может быть получено аналитически. Однако в частном случае ω_рф << ω_p (при дополнительном условии К_оаР >> 1, где а средний радиус оболочки) для основной медленной моды справедлива следующая приближенная формула: h KP- , (3) где ν⁽₁¹⁾ первый нуль функции Бесселя I₁(x).

Продольная составляющая K_II вектора может быть представлена в виде (см. фиг. 2) K cosψ K_on(ψ)cosψ (4) где n n(ψ) / K_o показатель преломления свистовой волны, подчиняющейся известной формуле Стори: n(ψ) · (5) Из выражений (1), (3) (5) получают следующую формулу, показывающую зависимость угла выхода Θ переизлучаемой в ионосферу волны от параметров плазмы вне и внутри оболочки, а также геометрических размеров оболочки: ψ arccos .

(6) Из формулы (6) видно, что при изменении концентрации плазмы в оболочке (т. е. величины ω_p), частоты сигнала ω и геометрических размеров а, D угол Θ изменяется. Если качание вектора , т.е. изменение угла Θ, оcущеcтвляетcя таким образом, что оптимальный угол Θ=Θ_o, отвечающий совпадению направления с вертикалью, попадает в интервал изменений Θ, то волновод Земля ионосфера возбуждается.

Можно показать, что даже весьма малые изменения концентрации плазмы в оболочке (т.е. изменения Δω_p плазменной частоты) и частоты ω приводят (в силу условия ω_рф<<ω_p) к заметному повороту волнового вектора . В частности, сканирование частоты возбуждающего сигнала в интервале ω±2ω (N_ф/N_e)^1/2 и/или изменение плотности плазмы в гофрированной оболочке в интервале N_e ± 2(N_ф/N_e)^1/2 вызывают поворот вектора в пределах 0°< ψ ≲ 90°. При этом волновой вектор заведомо проходит вертикальное направление, оптимальное для возбуждения волновода Земля ионосфера. Следует только иметь в виду, что изменения частоты и/или концентрации должны осуществляться вблизи таких значений ω и N_e, для которых выполняется соотношение (1).

Дополнительный (значительно более сложный) анализ показывает, что сделанный вывод справедлив и при меньших значениях радиуса плазменной оболочки, когда K_oaР 1.

Таким образом, создание гофрированной плазменной оболочки, возбуждения бегущей вдоль нее медленной волны и изменение параметров антенны, а именно частоты сигнала и/или плотности плазмы в оболочке, позволяют эффективно управлять направлением волнового вектора переизлучаемой в ионосферу волны, т.е. обеспечивать наиболее оптимальные условия для последующего вывода энергии этой волны в приземный волновод. В результате появляется возможность более эффективного использования мощности НЧ-передатчика, установленного на борту КА.

Формула изобретения

СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВОЛНОВОДА ЗЕМЛЯ - ИОНОСФЕРА НИЗКОЧАСТОТНОЙ ТРОСОВОЙ АНТЕННОЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, заключающийся в том, что тросовую антенну ориентируют относительно геомагнитного поля и возбуждают электромагнитное излучение приложенным к ней источником сигнала, отличающийся тем, что тросовую антенну ориентируют вдоль геомагнитного поля, создают вокруг нее гофрированную плазменную оболочку с периодом гофра возбуждают бегущую вдоль троса медленную квазиповерхностную волну и осуществляют сканирование частоты возбуждающего сигнала в интервале и/или изменение плотности плазмы в гофрированной плазменной оболочке в пределах N_e ± 2 (N_ф · N_e)^1/2, где h - постоянная распространения медленной квазиповерхностной волны, - проекция волнового вектора быстрой собственной волны ионосферной плазмы, ω - частота возбуждающего сигнала, N_e - плотность плазмы в оболочке, N_ф - плотность фоновой плазмы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2