ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ЧЕРЕЗ ПЛАЗМУ С РАЗЛИЧНОЙ ЧАСТОТОЙ СТОЛКНОВЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ

Энговатов Д. С., студ.; Паслён В. В., доц., к. т. н., зав. кафедрой РТЗИ
ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, ДНР

Исследования в области взаимодействия электромагнитных волн с плазменной средой являются актуальными для сфер радиофизики и электроники. В природе плазмы существует много особенностей [1]. Путем изменения таких параметров как: давление, частота, химический состав газа можно управлять параметрами плазмы. Изменение плотности и проводимости плазмы меняет собственную частоту плазмы [2].

В природе плазмы существует много особенностей, и все их сложно перечислить, однако можно выделить некоторые особенно значимые для распространения электромагнитных волн [1].

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. Компьютерное моделирование исследования распространения радиоволн в плазме при разных частотах и его результаты приведены в [3].

Исследование распространения радиоволн через плазму, проводилось при помощи компьютерного электродинамического моделирования. В программе моделирования CST Studio Suite была смоделирована область плазмы с собственной частотой равной приблизительно 4,467 ГГц. На рис. 1 представлена программная модель плазмы для исследования прохождения радиоволн. Были проведены опыты прохождения радиоволн с частотой ниже, приблизительно равной и выше частоты плазмы. При этом плазма имела разную частоту столкновения электронов в своем объеме равную 2 · 10⁵ столкновений в секунду, 2 · 10¹⁰ столкновений в секунду и 2 · 10²⁰ столкновений в секунду.

Первый опыт исследования проводился при собственной частоте плазмы выше частоты радиоволны, проходящей через нее. Частота сигнала равна 2 ГГц. На рис. 2 представлены диаграммы направленности, сформированные в результате расчета программой прохождения радиоволны через плазму.

Из рис. 2 видно, что при частоте падающей волны меньшей собственной частоты плазмы энергия сигнала испытывает отражение, значительное поглощение энергии и рассеивание в плазме. При меньшей частоте столкновений электронов энергия волны в значительной степени поглощается и частично отражается от слоя плазмы. При увеличении наблюдается увеличение степени поглощения энергии и рассеивания ее в плазме. При наибольшей частоте столкновений электронов волна даже частично проходит через объем плазмы.

На следующем этапе исследований частота радиосигнала была повышена до 4,5 ГГц приблизительно совпадающей с частотой плазмы. На рис. 3 представлены диаграммы направленности для данного случая.

Судя по диаграммам на рис. 3 в случае, когда частота падающей радиоволны совпадает с частотой плазмы, сигнал испытывает меньшие затухания чем когда частота волны меньше частоты плазмы. При этом, при меньшей частоте столкновений электронов в плазме энергия волны поглощается, частично отражается, и некоторая часть энергии может преодолеть плазменный слой. При увеличении частоты столкновений электронов, волна в значительной мере рассеивается в объеме плазмы. При дальнейшем увеличении частоты столкновения электронов, как и в случае с прохождением волны меньшей частоты, волна проходит через объем плазмы, однако, испытывает в данном случае меньше поглощения и рассеивания.

Последним этапом данного исследования является изучение прохождения волны с частотой большей, чем частота плазмы. На рис. 4 представлены полученные в программном продукте диаграммы направленности, для волны частотой 10 ГГц.

Судя по рис. 4 при частоте волны превышающей частоту плазмы, сигнал свободно проходит через плазму практически не испытывая поглощения, но при меньших частотах столкновения электронов в плазменном слое наблюдается незначительное рассеивание энергии волны. То есть плазма в этом случае выступает в качестве диэлектрика, не препятствуя распространению электромагнитных волн.

Исходя из проведенного исследования можно сделать вывод, что повышение частоты столкновений электронов в плазме при одинаковой частоте колебаний зарядов в ней снижает способность плазмы к отражению электромагнитных волн. При этом усиливаются процессы поглощения и рассеивания энергии в пространстве. В случае если частота падающей на слой плазмы волны близка к собственной частоте плазмы, увеличение частоты столкновений электронов приводит к большему рассеиванию и прохождению сигнала через объем плазмы. При этом чем меньше частота волны по сравнению с частотой плазмы тем больше уровень поглощения энергии, а увеличение частоты столкновений электронов приводит к еще большему увеличению поглощения и усиливает рассеивание энергии в плазме. Если же частота сигнала выше частоты плазмы, то изменение параметра частоты столкновения электронов уже не имеет значительного влияния на проходящие через плазму электромагнитные волны.

Перечень ссылок

1. Гинзбург, В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме / В. Л. Гинзбург. — М.: Наука, 1967. — 684 с.
2. 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.
3. Энговатов Д. С., Паслён В. В. Особенности распространения электромагнитных волн в плазме, XXI Міжнародна молодіжна науково-практична конференція Людина і Космос: Збірник тез — Дніпро: 2019, ISSN 2221-4550.