Антенные устройства с программно регулируемыми параметрами

Аннотация. Антенными устройствами называются системы проводников, необходимые с целью излучения радиоволн на передающей станции, а также улавливания радиоволн на станции приема. Актуальность применения антенных устройств носит актуальных характер в современном мире в связи с ростом в потребности и повсеместного распространения пунктов связи на сегодняшний день. Основной целью данной статьи является исследование антенных устройств, имеющих программно-регулируемые параметры. Одной из основных методологий данного исследования является работа с научными отечественными и зарубежными материалами. В результате работы изучены основные недостатки существующих на сегодняшний день антенных устройств, а также предложено оригинальное решение, направленное на достижение поставленной цели.
Ключевые слова. Антенные устройства, регулируемые параметры, плазменный рефлектор, антенная решетка, радиоволны.
Annotation. Antenna devices are systems of conductors necessary for the purpose of radiating radio waves at the transmitting station, as well as capturing radio waves at the receiving station. The relevance of the use of antenna devices is relevant in the modern world due to the growth in demand and widespread distribution of communication points today. The main purpose of this article is to study antenna devices with software-controlled parameters. One of the main methods of this research is to work with scientific domestic and foreign materials. As a result, the main disadvantages of existing antenna devices have been studied, and an original solution aimed at achieving this goal has been proposed.
Key words. The antenna of the device, adjustable parameters, the plasma reflector antenna array, radio waves.
Проблема программного управления параметрами антенных устройств становится наиболее актуальной в современном мире. Данная проблема уже обозначена в специализированных ведомственных системах связи, к примеру в тех случаях, когда требуется уменьшение количества антенно-мачтовых устройств и с решением данной задачи возможно применение антенн на новых физических принципах с управляемыми параметрами. Наиболее изученными на сегодняшний день являются фазированные антенные решетки. Но также более интересно применение относительно новых физических принципов работы антенн.
Одним из таких подходов может выступать использование плазменных антенн, активное исследование которых проводилось в ИОФ РАН.
В плазменных антеннах может использоваться плазма с концентрацией носителей выше критической (для управления параметрами вибраторных плазменных антенн (ВПА)) и с концентрацией ниже критической (для управления диаграммой направленности волноводно-щелевых плазменных антенн (ДН ВЩА)). Рассмотрим еще один класс плазменных антенн — плазменные антенные решетки (ПАР) в распадающейся плазме. В данном случае в начальный момент времени концентрация носителей становится выше критической, а далее плазма распадается, концентрация носителей падает и с некоторого момента времени становится ниже критической. В результате электродинамические свойства плазменного слоя такой антенны меняются от полностью непрозрачного, отражающего радиоизлучение, до полностью прозрачного для радиоизлучения [1].
Рис

. 1. (а) Плазменный рефлектор в виде ПАР и (б) сравнение диаграмм направленности рассеянного излучения от плазменного рефлектора (2) и от металлического аналога (1)
На рис. 1 показана ПАР, используемая как рефлектор УКВ-излучения. ПАР состояла из 18 люминесцентных ламп, которые облучались источником УКВ-излучения. Рассеянное излучение (диаграмма рассеяния показана на рис. 1 б) принималось металлическими антеннами. Рефлектор сильно рассеивал излучение только в процессе горения плазмы, причем плазма становилась прозрачной за время меньше 1 мкс после выключения источника питания ламп. Необходимо отметить хорошее соответствие диаграмм рассеянного излучения (рис. 1 б) металлического (1) и плазменного (2) рефлекторов.
Очевидным является тот факт, что данный тип реализации плазменного рефлектора непрактичен для объявленной задачи по ряду следующих причин:
- ненадежен и не рассчитан на применение малоквалифицированным персоналом (экипаж при установке данной антенны может ее разбить);
- она не обеспечивает перестройку под различные рода связи, т.е. просто заменяет собой обычную металлическую антенну.
Рассмотрим еще один тип отражательной плазменной антенной решетки (плазменного зеркала), формирование плазменной структуры в которой осуществлялось скользящим разрядом [2].
В рассматриваемых экспериментах плазменная решетка создается посредством скользящего по поверхности диэлектрика разряда. Известно, что при умеренных энергетических затратах с помощью скользящего разряда могут создаваться развитые плазменные поверхности с линейным размером около 1 м. Плазменная регулярная поверхность с такими линейными размерами может использоваться в качестве отражателя с регулируемыми характеристиками отражения. В этом разделе приводятся экспериментальные результаты исследования характеристик модели плазменной решетки на основе скользящего по поверхности диэлектрика разряда.
Для измерения параметров решетки в ИОФ РАН собран экспериментальный стенд, схема которого представлена на рис. 2. Стенд состоял из герметичной камеры, высоковольтного источника питания, генератора импульсов, накопителя энергии и форвакуумного насоса. В экспериментах использовался высоковольтный источник питания с регулируемым напряжением. Эксперименты проводились при трех значениях емкости накопительных конденсаторов Сн = 680, 1360 и 4400 пФ. В качестве рабочего газа в камере использовался воздух. Давление в камере в пределах эксперимента изменялось от 30 до 120 торр, что соответствует изменению высоты над землей от 30 до 10 км [3].
Рис. 2. Структурная схема экспериментального стенда, сконструированного в ИОФ РАН
Схема может работать в импульсном режиме с частотой следования импульсов до 300 Гц. В центре камеры установлена модель плазменной решетки (рис. 3). Решетка состоит из стеклотекстолитовой пластины (s ~ 4) толщиной 2 мм. На поверхности пластины с одной стороны расположены восемь медных полос шириной 5 мм и длиной 80 мм, а разряд развивается по направлению вдоль полос, но с другой стороны диэлектрической пластины