Научный руководитель – Паслён В. В., к. т. н., доцент
Донецкий национальный технический университет, г. Донецк
Исследования в области взаимодействия электромагнитных волн с плазменной средой являются актуальными для сфер радиофизики и электроники. Антенны, основанные на плазме, обладают свойствами и особенностями, которые перспективны для многих отраслей радиотехники.
В природе плазмы существует много особенностей, и все их сложно перечислить, однако можно выделить некоторые особенно значимые для распространения электромагнитных волн [1].
К первой особенности можно отнести то, что значения параметров плазмы отличается огромным разнообразием, и с этим же связана вторая особенность, зачастую плазма обладает существенной неоднородностью. Для плазмы типичным является плавные, однако значительные изменения параметров среды. Подобные изменения порой бывают столь велики, что параметр диэлектрической проницаемости меняет знак.
Еще одной особенностью плазмы является то, что, используя плазму, можно без особых усилий добиться диэлектрической проницаемости вещества равной нулю или близкое к этому значение, а также обеспечить слабое поглощение.
Четвертая особенность заключается в сильной частотной дисперсии плазмы (зависимость проницаемости от частоты).
Пятая особенность состоит в том, что параметры плазмы сильно меняются под воздействием постоянного магнитного поля. Таким образом даже слабые магнитные поля существенно меняют характер распространения электромагнитных волн в плазме.
Шестой особенностью является то, что электромагнитные свойства плазмы проявляют нелинейность в сравнительно легко достижимых полях. Это приводит к явлениям нелинейного взаимодействия волн, которые распространяются в плазме, в отличие от других веществ, где добиться нелинейности параметров можно лишь в очень сильных полях.
Плазма имеет заряженные частицы, электроны и ионы, следовательно, обладает проводимостью. Плазменная антенна — это устройство, имеющее различные преимущества в области связи, основное преимуществом является то, что такая антенна может быть отключена и включена электрически. Путем изменения рабочих параметров, например, рабочего давления, частоты возбуждения, входной мощности, радиуса диэлектрической трубки, длины плазменного столба, материала газа одиночную плазменную антенну можно преобразовать в матричную плазменную антенну, спиральные антенны. Это демонстрирует возможность реконфигурации антенн, основанных на плазме. Изменение плотности и проводимости плазмы меняет собственную частоту плазмы, поэтому имеется возможность перенастройки одной плазменной антенны для разных частот. При использовании плазменной антенны можно электронно управлять излучением в различных направлениях [2].
Плазма с точки зрения электромагнитных свойств неоднородная, нелинейная и дисперсионная среда. Магнитная и диэлектрическая проницаемость и проводимость в плазме могут варьироваться в зависимости от частоты и других параметров, что делает плазму особой средой. В результате для любой частоты падающей волны и любой плотности ионизации, существует один конкретный отклик. Следует различать понятие частоты плазмы и рабочей частоты плазменной антенны. Частота плазмы — это частота продольных колебаний пространственного заряда в плазме, а рабочая частота плазменной антенны такая же, как и рабочая частота металлической антенны.
Частота плазмы зависит от массы ионов и электронов, и от плотности плазмы. Чем выше плотность плазмы, тем выше ее частота. Когда электромагнитная волна падает на объем плазмы, плазма реагирует в соответствии с соотношением частоты волны и частоты плазмы. Если частота электромагнитной волны выше частоты плазмы, волна беспрепятственно проходит через плазму, в ином случае плазма отражает волну как проводящий материал.
Исследование прохождения радиоволн через плазму, проводилось при помощи компьютерного электродинамического моделирования. В программе моделирования CST Studio Suite была смоделирована область плазмы на основе водорода, с концентрацией свободных зарядов 2,472 · 1017 м-3. Собственная частота плазмы при этом равна приблизительно 4,467 ГГц. На рис. 1 представлена программная модель плазмы для исследования прохождения радиоволн.
Рисунок 1 — Модель области плазмы в программе
Исследование проводилось получением диаграммы направленности падающей волны на область плазмы. Сначала были смоделированы две падающие волны с частотой 1 и 4 ГГц, которые меньше собственной частоты плазмы (рис. 2).
Рисунок 2 — Диаграмма направленности при падающей волне частотой: а) 1 ГГц; б) 4 ГГц
Как видно из полученных результатов волны с частотами меньшими, чем частота плазмы отражаются от нее, то есть плазма в этом случае обладает свойствами подобными металлу. Затем был смоделирован случай, когда частота падающей волны приблизительно равна частоте плазмы. Результат моделирования представлен диаграммой направленности изображенной на рис. 3.
Из рисунка 3 видно, что частично волна способна пройти через объем плазмы, однако значительная часть энергии все еще отражается от него.
Рисунок 3 — Диаграмма направленности при падающей волне частотой 4,5 ГГц
Далее было смоделировано прохождение радиоволн с частотой превышающей частоту плазмы. На рис. 4 представлены диаграммы направленности с частотами 5 и 10 ГГц.
Рисунок 4 — Диаграмма направленности при падающей волне частотой: а) 5 ГГц; б) 10 ГГц
Из полученных диаграмм видно, что при частоте радиоволны превышающей частоту плазмы плазма уже практически не оказывает отражающего действия. При частоте мало превышающей частоту плазмы наблюдается незначительное отражение части энергии падающей волны, а при частоте, заметно превышающей частоту плазмы отражения уже практически отсутствует.
Таким образом видно, что плазма меняет свои свойства для радиоволн различной частоты, отражает волны с частотой меньшей, чем ее собственная, и пропускает волны, превышающие ее собственную частоту. И меняя плотность плазмы, меняя ее частоту, можно управлять прохождение волн различных частот, или зная параметры плазмы, вычислить частоты необходимые для преодоления плазменного слоя.
Библиографический список:
- Гинзбург, В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме / В. Л. Гинзбург. — М.: Наука, 1967. — 684 с.
- Prince Kumar, Rajneesh Kumar,
Simulation of Plasma Antenna Parameters
, International Journal of Engineering Technology, Management and Applied Sciences, Vol. 4, Issue 5, ISSN 2349-4476, May 2016.