Исследование параметров плазменных антенн при использовании различных газов

Sharan Bonde
Студент, Пунский института компьютерных технологий
Пуна, Индия
sharanbonde@hotmail.com
Ashwinikumar Dhande
Профессор, Пунский институт компьютерных технологий
Пуна, Индия
apdhande@pict.edu

Аннотация

К настоящему времени было проведено несколько экспериментов на плазменных антеннах. Постоянно возникала путаница в отношении лучшего газа для плазменного столба для взаимодействия с электромагнитными частотами. В данной статье представлено сравнение двух видов плазменных монопольных антенн, изготовленных из двух разных газов: неона и аргона. Для этого эксперимента используются две газовые трубки, заполненные неоном и аргоном под давлением 1 Торр. Для ионизации газа использовалась стандартная техника высоковольтного возбуждения. В статье обсуждаются полученные результаты по возвратным потерям и диаграммам направленности для этих двух антенн. Выяснилось, что оба газа дают возвратные потери ниже -15 дБ в диапазоне близком к оптимальной частоте.

Ключевые слова: плазменная антенна; неон; аргон; коэффициент отражения; обратные потери; диаграмма направленности

I. ВВЕДЕНИЕ

Плазменные антенна на протяжении нескольких лет сохраняли обширную тенденцию для исследований. Плазменная антенна — это излучатель из плазмы, способный излучать электромагнитные волны. Плазменная антенна обладает возможностью реконструкции с различной плотностью электронов и частотой столкновений. Научное сообщество продемонстрировало растущее любопытство к плазменным антеннам вплоть до их удивительных и своеобразных преимуществ перед металлическими антеннами, таких как низкий тепловой шум, скрытность и реконфигурируемость [1].

Плазменная антенна использует ионизированный газ в качестве проводящей среды в качестве заменителя металла для передачи, приема или отражения электромагнитного сигнала для радиолокации, скрытности или в целях связи [1–8]. В антеннах связи сигнал зависит от распространения поверхностной волны вдоль плазменного столба. Плазменная антенна может быть быстро включена или выключена только путем подачи импульсов мощности накачки в разрядную емкость. Когда газ находится под напряжением, создается плазма, кроме того, становится возможным установление связи; когда плазма обесточена, плазменная антенна становится просто диэлектрической трубкой с очень малой эффективной площадью рассеяния. Такой режим включено-выключено показывает плазменные антенны, подходящими для использования в стелс-приложениях для военной связи. В случае электромагнитного отражения плазма отражает частоты входящей волны, если она ниже, чем частота плазмы. В основном, частота плазмы ведет себя как частота среза, а плазма работает как фильтр верхних частот. Однако плазменные антенны могут также использоваться и для гражданских целей, особенно они подходят для систем беспроводной связи [1, 9].

Простые линейные плазменные антенны могут быть созданы путем подачи сигнала мощности через диэлектрическую трубку, такую как стекло или тефлон, заполненную газом низкого давления. Эта мощность накачки запускает поверхностную волну, которая распространяется вдоль столба, создавая и поддерживая разряд и обеспечивая проводимость, необходимую для излучения сигнала связи.

Здесь сообщается об эксперименте с двумя цилиндрическими плазменными антеннами, выполненными по отдельности с использованием газа неона и аргона. Плазма генерируется высоким напряжением переменного тока, и плотность плазмы этого устройства примерно одинакова по всей антенне.

II. ТЕОРИЯ И АНАЛИЗ

Плазма образуется за счет сбора ионизированных положительных ионов и свободных электронов; вместе со степенью ионизации ниже 1 %. Плазму можно создать с помощью нескольких методов, таких как электронная ударная ионизация, лазерная ионизация или просто нагрев газа. Первый метод является наиболее энергоэффективным и поэтому широко используется. После генерации плазмы формирование оболочки происходит автоматически, связывая электрод и плазму для поддержания баланса энергии и частиц. Положительный столб, область однородной плазмы существует вне оболочки.

Выполнение граничных условий дает потенциал внутри плазмы с точки зрения падающей амплитуды и частоты, и показано, что поле в плазме становится большим (резонансным), когда частота:

(1)

где знаменатель — характеристика цилиндрической геометрии, а ω_p — частота плазмы [10]. Если n характеризуют несвязанную плотность электронов и меру количества ионизации. e символизирует заряд электрона, а m представляет массу электрона.

(2)

Это основной и самый большой резонансный пик. Другие и меньшие пики рассеяния удовлетворяют дисперсионному соотношению Бома – Гросса, определяемому уравнением (3).

(3)

Где κ обозначают постоянную Больцмана, T указывают температуру в градусах Кельвина, а k обозначает волновое число электромагнитной частоты [10]. Поскольку плазменный столб является резонансным при условии, заданном в уравнении (1), электроны в столбе колеблются в ответ на управляющее электрическое поле. Это движение переизлучает или рассеивает падающее поле в цилиндрических волнах. Поскольку движение электронов в плазме является наибольшим при резонансе, рассеянная мощность будет максимальной при резонансе [10].

III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В исследовании использовались линейные плазменные антенны, возбуждаемые на обоих концах энергией переменного тока. Схема экспериментальной установки изображена на рисунках 1.

Антенны состоят из стандартной прямой трубки из кварцевого стекла длиной 25 см и диаметром 12 мм, индивидуально заполненной неоном и аргоном при номинальном давлении 1 Торр.

Ионизация газа может быть осуществлена путем подачи переменного тока высокого напряжения на электроды, расположенные на обоих концах трубки. Информационный сигнал подается на антенну посредством емкостной связи, состоящей из медного кольца шириной 30 мм, установленного над стеклянной трубкой внутри заземляющего экрана из меди. Заземленное экранирование представляет собой медный цилиндр высотой 40 мм и диаметром 35 мм.

Экран закрыт с верхней и нижней стороны с помощью двух круглых медных оболочек, имеющих круглое отверстие в центре для прохождения через него газовой трубки. Субминиатюрный разъем типа A (SMA), размещенный на заземляющем экране, используется для запуска сигнала для антенны с центральным проводником, припаянным к внутреннему медному кольцу, и внешним проводником разъема SMA, припаянным к заземлению. Расположение показано на рисунке 2.

Эквивалентная схема установки плазменной антенны показана на рисунке 3. L₁ и L₂ представляют индуктивность первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно. Трансформатор повышает входное напряжение сети 230 В до 3000 В, чтобы ионизировать газ в трубке. R_p — сопротивление плазмы, а C_s — емкость, обусловленная связующей муфтой. R_r — сопротивление приемника, равное 50 Ом.

Первоначальный пробой происходит внутри трубки под высоким напряжением, работающим в диапазоне от 25 до 35 МГц. Газовые трубки с аргоном и неоном, изготовленные для эксперимента, показаны на рисунке 4.

IV. ИЗМЕРЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Возвратные потери обеих антенн проверяются с использованием векторного сетевого анализатора (VNA). Результаты этого эксперимента поясняются с помощью рисунка 5.

Как показано на рисунке 5, обратные потери аргоно-плазменной антенны составляют около -18,53 дБ при оптимальной частоте 535 МГц, в то время как для неоновой плазменной антенны она составляет около -23,68 дБ при 547 МГц. Как видно, результаты для газовых трубок без плазмы примерно такие же, как в случае с плазмой, с чуть лучшими возвратными потерями. Улучшение обратных потерь для аргона составляет примерно 3 дБ, в то время как в неоновом газе оно составляет порядка 9 дБ. Различные обратные потери предсказуемы, так как в отличие от состава газов приводит к небольшим изменениям в сопротивлении антенны.

Диаграммы направленности на оптимальной частоте для аргоновой и неоновой газовой антенны показаны на рисунке 6. Диаграмма направленности этой плазменной монопольной антенны, кроме того, круглая, в отличие от обычных металлических монопольных антенн. Это связано с тем, что поток электромагнитного излучения в металле возникает благодаря свободным электронам, тогда как в случае плазменной антенны это происходит из-за поверхностных волн, проходящих над плазмой. Следовательно, диаграмма направленности на рисунке 5 показывает достаточное количество мощности, излучаемой в направлении 90° и 270°. Тем не менее, нулевые значения не видны в направлении 0° и 180°.

Из результатов видно, что неон является более легким газом для разряда по сравнению с аргоном. Это связано с различными напряжениями пробоя газов. Согласно закону Пашена, неон показывает низкое напряжение пробоя по сравнению с аргоном [11].

V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследованы экспериментальные результаты плазменных антенн различных газов, чтобы изучить их основные антенные параметры. В этом эксперименте неон и аргон использованы для заполнения газовых трубок. Было отмечено, что обе антенны обеспечивают возвратные потери ниже -10 дБ для диапазона частот от 100 МГц до 1 ГГц. Возвратные потери антенн с плазмой улучшаются на 3–9 дБ по сравнению антеннами без плазмы. Диаграмма направленности показывает адекватную мощность в направлении основного лепестка. В будущей работе будут изучены эффекты различного давления газа и ионизирующего напряжения, а также детальные измерения характеристик плазмы с помощью дополнительных экспериментов с использованием эффективного вспомогательного оборудования.

Литература

1. I. Alexeff, et al., “Experimental and Theoretical Results with Plasma Antennas”, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 34, No. 2, April 2006.
2. E. Robson, et al., “Demonstration of a Plasma Mirror for Microwaves”, IEEE Transaction on Plasma Science, Vol. 20, pp. 1036–1040, December 1992.
3. W. Manheimer, “Plasma Reflectors for Electronic Beam Steering in Radar Systems”, IEEE Transaction on Plasma Science,Vol. 19, pp. 1228–1234, December 1991.
4. W. Shen, et al., “Properties of a Vacuum Ultraviolet Laser Created Plasma Sheet for a Microwave Reflector”, Journal of Applied Physics, Vol. 78, No. 12, pp. 6974–6979, 1995.
5. W. Kang, et al., “A Conceptual Study of Stealth Plasma Antenna”, Proceeding of 1996 IEEE International Conference on Plasma Science, pp. 261, 1996.
6. I. Alexeff, et al., “A Plasma Stealth Antenna for U.S. Navy”, Proceeding of 1998 IEEE International Conference on Plasma Science, pp. 277, 1998.
7. G. Borg, et al., “Application of Plasma Columns to Radio-frequency Antennas”, Applied Physics Letters, Vol. 74, No. 22, pp. 3272–3274, 1999.
8. G. Borg, et al., “Plasmas as Antennas: Theory, Experiments and Applications”, Physics of Plasmas, Vol. 7, pp. 2198–2202, July 2000.
9. J. Rayner, A. Whichello, A. Cheetham, “Physical Characteristics of Plasma Antennas”, IEEE Transaction on Plasma Science, Vol. 32, pp. 269–281, 2004.
10. T. Anderson, Plasma Antennas, ArTech House, London, 2011.
11. M. Lieberman, A. Ichtenberg, Principle of Discharges and Material Processing, 2nd Edition, John Wiley and Sons, 2005.