Плазменные антенны

И.М.Минаев, А.А.Рухадзе

Идея замены металлических антенн плазменными

возникла еще в 50-тые годы прошлого столетия. Плазма

хорошо проводящая среда и по своей основной

характеристике – проводимости не отличается от металла.

Теоретические модели газовой плазмы, строились по

подобию элементарной электронной теории металлов.

Согласно этой теории, комплексную диэлектрическую

проницаемость, описывающую распространение быстрых

электромагнитных волн, каковыми являются радио волны,

фазовые скорости которых близка к скорости света в вакууме

ссмС /103 100 ( т.е. намного больше хаотичного движения

электронов в металлах и газовой плазме), можно

представить:

металл или плазма

металл

)(1)(

2

e

pe

iV

.1010 32321 смne

.102102 11615 cp .10 115 cVe

41

22

iV

iV

ie

pe

e

pe 11710 e

2

сск .1014i ,109,1 3смск

(1)

(2)

(3) (4)

плазма

)10..(10 718 Гцfете

epe Vi11)(

2

2

pe

.1010 316110

смN 32 1010 смc

pe 3,15,0

смR 1

RV

c

RRSE

SE

q

q

ep

сим

n

м

n

скм

пл

м

2

211

11

20

11

20

11

23

43

31

4

4

(2)

(1)

(3)

P0 ≤ 10-1

─ 10-2

торр

Экспериментальные образцы плазменных антенн

(плазма возбуждается сторонним источником)

Форма диаграммы направленности

плазменного отражателя (синий) и

металлического (красный).

Установка для исследований характеристик плазменной вибраторной антенны (f=460МГц). Плазма создается

собственным излучением передатчика.

Схема Схема экспериментальной установки (металлической) вибраторной антенны

1 - металлический штырь (диэлектрическая трубка, Ar,P=10-2торр); 2- внутренняя трубка коаксиального фидера (наружный диаметр внутренней трубки коаксиального фидера = 2r =2.5 см); 3 - внутренняя трубка экрана; 4 - внешняя трубка коаксиального экрана (внешний диаметр трубки экрана =2R = 4.0 см.); 5 - тефлоновая шайба (тефлоновая шайба удерживает свободный конец внутренней трубки коаксиального волновода); 6 - алюминиевый диск (алюминиевый диск диаметром 38 см, который служит экраном для монополя).

Характеристики плазменного столба

Зависимость длины плазменного столба от мощности генератора. (a). Поперечное распределение светимости плазменного столба (b) (частота генератора 460 МГц, мощность 10, 15, 20 Вт)

Радиальное распределение поля при разряде в аргоне, 28 Вт (темные точки); расчетное распределение: (светлые

точки).

Распределение -компоненты ВЧ поля на столбе плазмы в режиме стоячей волны в парах ртути: (1) 60 см, 20 Вт; (2)

77 см, 40 Вт.

Мощность излучения плазменного монополя в зависимости от концентрации плазмы , приведенная к

мощности излучения металлического монополя.

пространственное распределение поля в поверхностной волне на

плоской поверхности среда – вакуум.

Рис.1. Структура поверхностной волны

на плоской поверхности плазмы (металла)

,

Дисперсионное уравнение для волны Ео

(плоская симметрия (1), цилиндрическая симметрия (2)

)(

)(1

)(

)(

00

00

00

0

aK

aK

aaI

aI

ap

Уравнения Максвелла с учетом граничных условий

приводят к следующему дисперсионному уравнению

для определения спектра частот поверхностной волны

на плоской поверхности раздела проводящая среда -

вакуум .

(1)

(2)

Семейство дисперсионных зависимостей для низшей моды ПВ.Предельный случай для металла обозначен буквой М.

поле разрядного промежутка

Зависимость величины Ев от расстояния до разрядного промежутка. Е~ 1/z3(поле диполя) или -поле заряженного диска .

Механизм распространения ПВ.

Мощность источника и время, необходимое для

создания плазменного столба (Z=15).

~3.6х1010

; Р~ 10< P< 100 Вт, t~10мс.

nпр ( пр𝜔 )

nпв

(𝜔 пв )

nкp ( кр𝜔 )А

выводы•Поглощение в металлической антенне при равных

напряженностях поля волны и его частоты больше, чем в

плазменной.

Быстрая перестройка характеристик за счет изменения

электронной плотности в газоразрядной трубке

(без изменения геометрических размеров).

.

Литература

1. Истомин Е.Н., Карфидов Д.М., Минаев И.М., Рухадзе А.А., Тараканов В.П., Сергейчев К.Ф., Трефилов А.Ю. Плазменная

дипольная STELTH-антенна. – Препринт 40 РАН ОИФ им. А.М.Прохорова, – М.: 2005.

2. Истомин Е.Н., Карфидов Д.М., Минаев И.М., Рухадзе А.А., Тараканов, физика плазмы 2005,т.32, №4, с. 423

3. Минаев И.М., Рухадзе А.А.., Сергейчев К.Ф., Трефилов Ф.Ю.. Активная плазменная ВЧ-антенна, самосогласованная с

источником колебаний. –М.: Краткие сообщения по физике ФИАН. 2005, №12 с. 34-44.

4. Н.Г.Гусейн-заде, И.М.Минаев, К.З. Рухадзе, Плазменная приемная антенна,. Краткие сообщ. По физике 2010, №2, с 45-48

5. Н.Г.Гусейн-заде, И.М.Минаев, К.З..Рухадзе, Физика. Плазмы, 2010,т 35№10. с. 914-916.

6. К.С.Володин, И.М.Минаев, А.А.Рухадзе, К.З. Рухадзе, К.Ф. Сергейчев, Плазменное управление диаграммой

направленности волноводно-щелевой антенны //Физика плазмы. 2009, Т35, №1 с. 56-60.

7 . К.С.Володин, И.М.Минаев, А.А.Рухадзе, К.З. Рухадзе, К.Ф. Сергейчев, Т.COOM. Спецвыпуск, апрель 2009, №S-DSPA p. 51-52.

8. Гусейн-заде Н.Г., Минаев И.М., Рухадзе К.З. Плазменные приемные вибраторные антенны. Физика плазмы, 2011 №1

9. Гусейн-заде Н.Г., Минаев И.М., Рухадзе К.З., 37 Международная звенигородская конференция, тезисы докладов 2010, с.

10. А.Ф. Александров, Л.С. Богданкевич, А.А. Рухадзе «Основы электродинамики плазмы», М.Высшая Школа», 1988г.

11.Минаев И.М.,РухадзеА.А. Еще раз об условиях существования поверхностной волны на поверхности

проводящей среды// Инженерная физика. 2012. №3.с.4-7.

12.Минаев И.М.,РухадзеА.А. Еще раз об условиях существования поверхностной волны на поверхности проводящей среды//

Инженерная физика. 2012. №3.с.4-7.