Плазменная антенна с азимутально-несимметричными бегущими волнами тока

Abstract

В отличие от множества известных работ, где изучались цилиндрические плазменные антенны с азимутально-симметричными бегущими волнами, в настоящей работе теоретически и численно исследуется плазменная антенна с азимутально-несимметричной бегущей волной, работающей на гармонике с азимутальным номером m = 1. Кроме того, в работе учтены столкновения электронов с атомами. Плазма предполагается холодной и изотропной. Использован метод дисперсионного уравнения. Действительная часть решения этого уравнения дает постоянную распространения, а мнимая часть – коэффициент затухания бегущей волны. Для нахождения диаграмм направленности (ДН) излучения вычисляются запаздывающие потенциалы в дальней зоне. Диаграммы направленности сильно зависят от замедления волн в антенне. Определены зависимости замедления волны от плотности плазмы. Исследуется зависимость диаграмм направленности от плотности плазмы, геометрических параметров плазменного цилиндра и частоты электронно-атомных столкновений. Найдены минимальные значения плотности плазмы, при которых нормированные ДН являются остронаправленными и имеют главный лепесток, расположенный под нулевым углом к оси антенны. Антенна, работающая на гармонике с m = 1, обладает рядом преимуществ по сравнению с антенной, работающей на аксиально-симметричной гармонике: рабочая плотность плазмы в такой антенне значительно меньше, излучение направлено в строго осевом направлении, малый уровень боковых лепестков ДН, ДН слабее зависят от электронно-атомных столкновений. Показано также, что по дисперсионным свойствам плазменная антенна с m = 1 ближе к металлической антенне, чем антенна с m = 0.

На відміну від багатьох робіт, де вивчалися циліндричні плазмові антени з азимутально-симетричними біжучими хвилями, у цій роботі теоретично і чисельно досліджується плазмова антена з азимутально-несиметричною біжучою хвилею, яка працює на гармоніці з азимутальним номером m = 1. Крім того, в роботі враховані зіткнення електронів з атомами. Плазма передбачається холодною та ізотропною. Застосовано метод дисперсійного рівняння. Дійсна частина розв’язку цього рівняння дає сталу поширення, а уявна частина - коефіцієнт загасання біжучої хвилі. Для знаходження діаграм направленості (ДН) випромінювання обчислюються запізнювальні потенціали в дальній зоні. Діаграми направленості суттєво залежать від уповільнення хвиль в антені. Визначено залежності уповільнення хвилі від щільності плазми. Досліджується залежність ДН від щільності плазми, геометричних параметрів плазмового циліндра і частоти електронно-атомних зіткнень. Знайдено мінімальні значення щільності плазми, за яких нормовані ДН є гостроспрямованими і мають головну пелюстку, яка розташована під нульовим кутом до осі антени. Антена, що працює на гармоніці з m = 1, має низку переваг у порівнянні з антеною, яка працює на аксіально-симетричній гармоніці: робоча щільність плазми в такій антені значно менша, випро-мінювання здійснюється строго в осьовому напрямку, рівень бічних пелюсток ДН малий, ДН слабкіше залежать від електронно-атомних зіткнень. Показано також, що за дисперсійними властивостями плазмова антена з m = 1 ближча до металевої антени, ніж антена з m = 0.

In the present paper, the plasma antenna with azimuthally asymmetrical traveling waves operating at a harmonic with an azimuth number m = 1 is investigated theoretically and numerically. In addition, the collisions of electrons with atoms are taken into account. Plasma is assumed to be cold and isotropic. The method of the dispersion equation is used. The propagation constant and the attenuation coefficient of the traveling wave can be obtained from the real and imaginary parts of the solution of this equation, respectively. In order to find the radiation patterns (RP), the delayed potentials in the far zone are calculated. The RP strongly depends on the slowing of waves in the antenna. The dependences of the slowing of the wave on the plasma density are obtained, and the dependence of RP on the plasma density, geometrical parameters of plasma cylinder and frequency of electron-atom collisions is investigated. The minimum values of plasma density, at which the normalized radiation patterns are highly directional and have a main lobe located at a zero angle to the antenna axis, are obtained. Advantages of antenna operating at harmonic with m = 1, as compared to the antenna working on an azimuthally-symmetrical wave, are shown: the working plasma density of such antenna is much lower; the radiation is in a strictly axial direction; a small level of the side lobes of the RP; the RP is less dependent on the electron-atom collisions. It is also shown that, by dispersion properties, a plasma antenna with m = 1 is closer to a metallic antenna than an antenna with m = 0.