способ формирования диаграммы направленности вибратора, помещенного в околоземную плазму на частотах ниже гироэлектронной частоты

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ВИБРАТОРА, ПОМЕЩЕННОГО В ОКОЛОЗЕМНУЮ ПЛАЗМУ НА ЧАСТОТАХ НИЖЕ ГИРОЭЛЕКТРОННОЙ ЧАСТОТЫ, заключающийся в изменении длины вибратора и ориентации его относительно вектора локального направления магнитного поля Земли, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности излучения вибратора в околоземной плазме в заданном участке пространственного спектрального распределения излученной мощности, в месте расположения вибратора измеряют концентрацию электронов плазмы, ионный состав плазмы, напряженность магнитного поля Земли, направление магнитного поля Земли относительно оси вибратора, определяют значение функции

Г (_oi, L_i)= (M(_o)+M(-_o)

M ( _o) = Co Co _o+

+(n²-₃) Cos² + Sin² Sin²_o+

+ Sin2 Cos Sin( 2_o) G² ;

G = ;

( _o) = SinCosSin( _o)+CosCos_o ;

= (₁Cos²₀+₃Sin²₀) ;

g = (₁₃-²₁+²₂)²Sin⁴+4²₂²₃ Cos ;

n = ;

₁= 1- - ; ₂= - + ; ₃= 1-x-xt ;

x = ²₀/²; y = 3_n/; t = m_e/M

где ₀ = 5,7026 10⁴ - плазменная электронная частота;

N - концентрация электронов плазмы в точке расположения вибратора, 1/см³;

_n = 1,76 10⁷ Н - гироэлектронная частота в месте расположения вибратора;

H - напряженность магнитного поля Земли в точке расположения вибратора, Э;

m_е - масса электрона;

M_i - масса иона плазмы в месте расположения вибратора;

( 1 / сек ) - частота прикладываемого к вибратору напряжения;

K₀= / C - волновое число;

C - скорость света в вакууме;

₀ - угол между осью вибратора и направлением магнитного поля Земли в точке расположения вибратора;

- полярный угол, отсчитываемый от направления магнитного поля Земли в точке расположения вибратора;

- азимутальный угол, отсчитываемый от проекции оси вибратора на плоскость, перпендикулярной к направлению магнитного поля Земли в точке расположения вибратора;

L_m - длина плеча вибратора,

вычисляют отношение

K = ; /2

R(_oi, L_i) = (_oi, L_i) Sind

для ряда произвольных значений _oi , L_i , выбирают значение угла ориентации _max и длины вибратора L_imax, соответствующие максимальным значениям K, устанавливают угол ориентации и длину вибратора в соответствии со значениями в каждой точке расположения вибратора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к антенной технике, и может использоваться в частности, при излучении электромагнитных волн на частотах ниже гироэлектронной, со спутников, находящихся в околоземной ионосферной плазме. Кроме того, изобретение может найти применение при решении задач, связанных с инжекцией электромагнитной энергии в плазму.

Известен способ формирования диаграммы направленности (ДН) антенны, помещенной в околоземную плазму на частотах ниже гироэлектронной, заключающийся в изменении ориентации оси антенны относительно магнитного поля Земли.

Недостатком этого способа формирования ДН антенны, помещенной в плазму, является малый динамической диапазон изменений относительной доли излученной в требуемом участке пространственного спектрального распределения мощности, в общем балансе излученной мощности, которая является мерой эффективности излучения антенны. Указанный динамический диапазон определяется в этом способе только характеристиками ионосферной плазмы и не может быть расширен при достижении оптимальной ориентации оси антенны относительно внешнего магнитного поля (магнитное поле Земли).

Наиболее близким к предложенному техническим решением, которое было выбрано в качестве прототипа, является способ формирования ДН вибратора, помещенного в ионосферную плазму, путем изменения ориентации оси вибратора относительно магнитного поля Земли.

Известный способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что не обеспечивается достижение максимально возможного соотношения между излученной мощностью, заключенной в требуемом участке пространственного спектрального распределения и полной мощностью, излученной вибратором. Это объясняется тем, что в данном способе формирования ДН вибратора, находящегося в ионосферной плазме, не учитывается закон распределения тока в вибраторе, который устанавливается в нем под действием сторонней электродвижущей силы, приложенной к вибратору в точках запитки. При реализации этого способа распределение тока в вибраторе при помещении его в ионосферную плазму на частоте ниже, чем гироэлектронная, известно априори и, являясь линейным или равномерным по всей длине вибратора, не зависит от параметров ионосферной плазмы, ориентации вибратора и частоты. Поэтому, после достижения оптимального (для этих распределений токов в вибраторе) соотношения между мощностью, излученной в требуемом участке пространственного спектрального распределения, и полной излученной мощностью дальнейшее повышение этого соотношения невозможно.

Целью изобретения является повышение эффективности излучения вибратора в околоземной плазме в заданном участке пространственного спектрального распределения излученной мощности.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

На чертеже показаны датчик 1 концентрации электронов ионосферной плазмы, датчик 2 ионного состава ионосферной плазмы, датчик 3 напряженности магнитного поля Земли, ЭВМ - 4, сервопривод 5 управления ориентацией и длиной вибратора, вибратор - 6, ИСЗ (искусственный спутник Земли) 7.

Указанное устройство размещается на ИСЗ, находящемся в околоземной ионосферной плазме. Датчики 1, 2, 3 измеряют концентрацию электронов ионосферной плазмы, ионный состав, напряженность магнитного поля Земли, направление магнитного поля Земли относительно оси вибратора, определяют значение функции

Г(_oi, L_i)= M(_o)+M(-_o).

M ( _o) = Co Co _o+

+(n²-₃) Cos² + Sin² Sin²_o+

+ Sin2 Cos Sin( 2_o) G²;

G = ;

( _o) = SinCosSin( _o)+CosCos_o;

= (₁Cos²₀+₃Sin²₀) ;

g = (₁₃-²₁+²₂)²Sin⁴+4²₂²₃ Cos ;

n = ;

₁= 1- - ;

₂= - + ;

₃= 1-x-xt ;

x= _o²/²; y= _n/; t= m_e/M_i где _о - плазменная электронная частота, ₀= 5,7026 10 ;

N(1/cm³) - концентрация электронов плазмы в точке расположения вибратора;

= 1,76 10⁷ Н_n - гироэлектронная частота в точке расположения вибратора;

Н - напряженность магнитного поля Земли в точке расположения вибратора (в эрстедах);

m_e - масса электрона;

M_i - масса иона плазмы в точке расположения вибратора;

(1/сек) - частота прикладываемого к вибратору напряжения;

K_o = /c - волновое число;

С - скорость света в вакууме;

_о - угол между осью вибратора и направлением магнитного поля Земли в точке расположения вибратора;

- полярный угол, отсчитываемый от направления магнитного поля Земли в точке расположения вибратора;

- азимутальный угол, отсчитываемый от проекции оси вибратора на плоскость, перпендикулярной направлению магнитного поля Земли в точке расположения вибратора;

L(M) - длина плеча вибратора; блок 4-ЭВМ производит вычисление отношения K = ; R(_oi, L_i) = (_oi, L_i) Sind; для ряда произвольных значений _оi, L_i выбирает значение угла ориентации _oimax и длины вибратора L_imax, соответствующие максимальным значениям К, вырабатывает команду управления на сервопривод 5, устанавливает длину и ориентацию вибратора 6. При изменении параметров плазмы и магнитного поля Земли в процессе полета описанную процедуру повторяют.

Сравнение предлагаемого способа формирования ДН вибратора, помещенного в околоземную плазму на частотах ниже гироэлектронной частоты, иллюстрируют расчетом коэффициента эффективности излучения вибратора для задачи возбуждения приземного волновода.

Пусть ₀= 5,702610 N= 1,510⁶ 1/cм³, _n = 6,0310⁶ 1/c, = 30^o, ионами плазмы являются ионы кислорода О₊. Для ряда произвольных значений _oi и L_i вычисляют коэффициент эффективности К. В результате расчета получают, что для заявленного способа при угле _o= /2 и длине вибратора L = 60 м, которые найдены из расчетов, коэффициент эффективности К = 0,0666.

Для прототипа этот же коэффициент 0,0375, т. е. предлагаемый способ по эффективности превосходит прототип примерно в 2 раза. (56) Сompact antenna to shuttle VLF experiments, Microwave and RF, N 11, 1982.