CC BY
78
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
УДК 621.37: 533.9.07
КОМПЛЕКСНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СВЧ И ИК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЕННОЙ АНТЕННЫ РЕАКТИВНОГО ТИПА ДЛЯ БЕЗОПАСНЫХ WIFI СЕТЕЙ
Игорь Владиленович Минин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры метрологии, стандартизации и сертификации СГГА, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Олег Владиленович Минин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технический наук, доцент, заведующий кафедрой метрологии, стандартизации и сертификации СГГА, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Виктор Николаевич Москвин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры кадастра, тел. (383)344-31-73, e-mail: [email protected]
Максим Викторович Кузнецов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, аспирант, техник кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Обоснован новый механизм создания плазменных антенн с управляемыми пространственными характеристиками на основе термомеханической эрозии материала сопла или его вкладыша для систем защищенной связи. Конфигурация плазменной антенны и ее ориентация в пространстве может быть изменена как соответствующим изменением сопла, так и его ориентации. Приведены результаты основных экспериментальных исследований, выполненных с применением оптических схем измерений в СВЧ и ИК-диапазонах, показывающих возможность создания импульсной антенны вплоть до частот порядка 100 ГГц.
Ключевые слова: плазменная антенна, газовая плазменная технология.
COMPLEX OPTICAL MICROWAVE AND IR EXPERIMENTAL MEASUREMENT OF THE PARAMETERS PLASMA ANTENNAS REACTIVE TYPE FOR SAFE WIFI NETWORK
Igor V. Minin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences., Associate Professor, Professor, Department of Metrology, standardization and certification, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Oleg V. Minin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head of Department of Metrology, standardization and certification, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
126
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Victor N. Moskvin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Cadastre, tel. (383)344-31-73, e-mail: [email protected]
Maxim V. Kuznetsov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Postgraduate student, technician Department of Physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Substantiated new mechanism for creating plasma antennas with controlled spatial characteristics based on thermo chemical nozzle material erosion or liner systems for secure communications. The configuration of the plasma antenna and its orientation in space can be changed as a corresponding change in the nozzle, and its orientation. The results of the basic experimental research carried out with the use of optical systems of measurements in the microwave and infrared spectrum, which shows a pulse antenna up to frequencies of 100 GHz.
Key words: plasma antenna, gas plasma theology.
Введение
Газовая плазменная технология может быть использована, в частности, для создания безопасной WiFi передачи данных. Один из подходов к созданию безопасных WiFi сетей состоит в том, чтобы включить газовые плазменные передающие антенны в конфигурацию беспроводной сети. Газовая плазменная антенная технология позволила бы обеспечить узконаправленную и электронно-управляемую цифровую передачу данных. Поскольку плазменная струя может быть включена и выключена за короткое время, антенна может быть перенаправлена в любом направлении с очень высокой скоростью. И, кроме того, с очень высокой скоростью может изменяться ширина пучка и ширина полосы, создавая, таким образом, пространственные и спектральные возможности для усиления безопасности, которых нет в обычной WiFi антенной технологии.
В последнее время наблюдается повышенный интерес к исследованию возможности создания и использования плазменных антенн (ПА). Разработка таких антенн идет по трем основным направлениям. Одно направление связано с использованием в качестве элементов антенн плазмы газового разряда, создаваемого в диэлектрических трубках [1]. Другое направление связано с использованием высокоэнергетичных плазменных потоков высокой проводимости, формируемых в воздухе с помощью конденсированных ВВ различного состава [2, 3]. Значительный интерес к ПА на основе использования ВВ обусловлен возможностью их применения для создания компактных мощных микроволновых генераторов, работающих в низкочастотной области спектра. В этом случае размеры всего устройства определяются не столько размерами собственно генератора, сколько размерами антенны и оказываются довольно большими. Переход к использованию ПА на основе ВВ позволяет существенно снизить не только размеры, но и вес антенн и, соответственно, улучшить весогабаритные характеристики всего генератора. Однако такой подход требует изменения состава ВВ путем включения в него частиц металла с малой работой выхода.
127
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Третье направление исследований по ПА связано с проблемой гиперзвуковых плазменных образований [4]. Несмотря на уникальность и перспективность такого направления, его реализация также не может обойтись без взрывных источников энергии.
В настоящей работе предлагается новое, четвертое направление создания и использования ПА. Оно основано на получении плазменных образований с конденсированной дисперсной фазой. Это позволяет избежать применения ВВ и улучшить ряд их характеристик.
Схема эксперимента
В наших экспериментах использовалась двухканальная система диагностики, работающая на частотах 60 ГГц и 72 ГГц. В качестве источников излучения использовались генераторы стандартных сигналов Г4-142, в качестве приемников - диоды Д-407. Дифракционные элементы представляли собой внеосевые двухуровневые фазовые зонные пластины. Расстояние от внеосевых коллиматоров до плазменной струи составляло около 3 диаметров коллиматора. Блок-схема одного из каналов экспериментальной установки представлена на рис. 1 [5, 6].
Рис. 1. Схема одного канала экспериментальной установки:
1 - источник плазменного образования; 2 - плазменное образование (пунктиром показано положение источника излучения в режиме работы установки «на отражение»)
Результаты измерений
Изменение функций, выполняемых плазменным образованием, в основном за счет изменения концентрации электронов в плазменном образовании, приводит к изменению типа антенны. При этом появляется возможность управления
128
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
формой диаграммы направленности антенны: тороидальной с минимумом в осевом направлении в случае выполнения функции металлического стержня, игольчатой с максимумом в осевом направлении в случае выполнения функции диэлектрического стержня. Также возможно управление и положением плоскости поляризации электромагнитных волн: в случае металлического стержня -параллельно оси антенны, в случае диэлектрического стержня - перпендикулярно оси антенны. Управление параметрами плазменного генератора, например, давлением и временем работы ракетного двигателя, конфигурацией сопла, позволяет создавать плазменное образование различной длины и пространственной формы, что расширяет диапазон рабочих длин волн антенны и область ее применения.
Низкотемпературная слабонеидеальная плазма с конденсированной дисперсной фазой получалась с помощью помещения на пути распространения высокотемпературного газового потока от модельного реактивного двигателя различных эрозийных материалов [5-8].
Параметры неизотермической высокоэнтальпийной струи продуктов сгорания топлива, вдуваемой в поток окислителя, могут существенно зависеть от наличия в струе горючих частиц металлов, например, алюминия. При перемешивании струи с потоком окислителя в результате турбулентной диффузии, происходит попадание горючих частиц в кислородосодержащую атмосферу с последующим горением. Выделяющаяся в процессе горения частиц энергия увеличивает температуру струи в зоне смещения и, тем самым, влияет на распределения параметров по оси и на характерную длину турбулентной струи.
Измерения осуществлялись на расстоянии около 150 мм от среза сопла. Сопло имело внешний диаметр 40 мм. Исследовались различные материалы сопел: АМЦ, Медь М1, АМЦ с добавками редкоземельных материалов от 0,5 % до 3 %, сплав Д16, АМГ-6. Использовалось твердое баллиститное топливо. Диагностическая система располагалась на стенде диагностики ракетных двигателей. Внешний вид стенда показан на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид стенда
129
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
При перемешивании струи с потоком окислителя в результате турбулентной диффузии, происходит попадание горючих частиц в кислородосодержащую атмосферу с последующим горением. Можно показать, что влияние примесных частиц металла в факеле струи сводится к изменению профиля распределения температуры вдоль струи и повышению ее максимального значения. Максимум температуры наблюдается в зоне диффузионного факела. Спад температуры вдоль струи факела происходит (за областью максимального значения температуры) так же, как и без наличия сгораемых частиц металла, но со средней температурой выше, чем без них. Выделяющаяся в процессе горения частиц энергия увеличивает температуру струи в зоне смещения и, тем самым, влияет на распределения параметров по оси и на характерную длину турбулентной струи.
Повышение температуры факела при наличии горючих частиц металла и смещение ее максимального значения в сторону выброса частиц из-за их сгорания способствует увеличению как размера этого факела (длины ПА), так и его энергетических характеристик.
Параллельно с измерениями в диапазоне миллиметровых волн проводились и тепловизионные измерения параметров газовой струи с использованием тепловизора AGA-680. Так, яркостная температура собственно продуктов сгорания твердого топлива составила около 600 К, сила ИК-излучения 3 кВт/ср. Кроме того, применение тепловизионных измерений позволило проследить динамику движения эрозионных частиц и оценить их размер. Некоторые экспериментальные результаты представлены на рис. 3.
Рис. 3 а. Экспериментальные результаты (пример регистрации динамики эрозионных частиц на тепловизоре)
130
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Рис. 3б. Экспериментальные результаты (динамика развития и изменение конфигурации плазменного факела)
Исследованные продукты сгорания твердого топлива были полностью прозрачны в диапазоне миллиметровых волн. Введение эрозионной твердой дисперсной фазы в виде частиц меди практически не влияет на характеристики плазмы в этом диапазоне. Введение частиц алюминия и его сплавов позволяет создавать плазменное образование, эффективно отражающее и экранирующее излучение миллиметровых волн, при этом время жизни плазмы в этом диапазоне составляет около 100-150 миллисекунд, что больше времени работы ракетного двигателя (рис. 4).
Рис. 4. Отражение излучения миллиметрового диапазона от эрозионной плазмы. Слева - тестовый сигнал без плазменного образования
131
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Длительность работы ракетного двигателя составляла 0,1 с. Максимальное давление в камере сгорания составляло от 180 до 240 атм. Отражение от эрозионной плазмы наступало примерно через 10 миллисекунд после поджига ракетного мини-двигателя. Результаты измерений величины эрозийного уноса массы материала сопла приведены в таблице.
Таблица
Материал сопла Вес до прожига, г Вес после прожига, г
АМЦ 9,3 1,5
АМГ-6 9,2 —
Мишметалл 22,5 0
АМЦ + 0,5 % РЗМ 9,4 0
АМЦ + 1 % РЗМ 9,65 0
АМЦ + 3 % РЗМ 9,65 0
Д16 9,25 0
Медь М1 3,16 3,1
Основной вывод экспериментальных исследований состоит в том, что концентрация электронов в эрозионной плазме с конденсированной дисперсной фазой поддерживается не за счет ионизации газа, а благодаря термоэлектронной эмиссии с поверхности частиц.
Например, расчеты по теории Ми показывают, что в случае не полностью расплавленной частицы, когда внутри расплавленной частицы существует твердое ядро, или в случае не до конца остывшей частицы, когда расплавленное ядро окружено твердой фазой, наличие электронных облаков вокруг частиц из материалов, у которых работа выхода составляет 1-2 эв (например, BaO и CaO), может приводить к дополнительному ослаблению и изменению фазовой скорости электромагнитных волн. Так, оценки показывают, что вблизи поверхности подобных частиц при температуре выше 1 500 К концентрация электронов Ne превышает 1014 см-3. Поэтому взаимодействие электромагнитного излучения будет происходить со свободными электронами собственно плазмы и электронными облаками, окружающими дисперсные частицы, концентрация электронов в которых превышает критическую для данной длины волны.
Проведенные исследования позволили разработать методы управления характеристиками плазменной струи в миллиметровом диапазоне длин волн.
Заключение
Таким образом, в работе предложен новый механизм создания плазменных антенн с управляемыми пространственными характеристиками на основе термомеханической эрозии материала сопла или его вкладыша. Конфигурация ПА и ее ориентация в пространстве может быть изменена как соответствующим изменением сопла, так и его ориентации. Приведены результаты основных экс-
132
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
периментальных исследований, показывающих возможность создания ПА вплоть до частот порядка 100 ГГц [7]. При возбуждении плазменной струи широкополосным сигналом возможно преобразование спектра возбуждающего сигнала в требуемую область.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Borg G.G., Harris J. H., Miljak D.G., Martin N.M. Application of plasma columns to radio frequency antennas // Applied physics letters, 1999, V. 74, N 22, P. 3272-3274.
2. Altgilbers L., Merrit I., Tracy P., Tkach Yu., Tkach S. Plasma antennas: theoretical and experimental consideration // 29th Plasmadynamics and Laser Conference, June 15-18, AIAA, 982567, 1998.
3. Shkilyov A.L., Khristenko V.M., Somov V.A., Tkach Yu.V. Experimental Investigation of Explosive Plasma Antennas// Electromagnetic Phenomena, October-December 2003, V.3, N4 (12), P. 521-528.
4. Minin I.V., Minin O.V. The possibility of impulse plasma antenna creation // Proc. of the 6th Russian-Korean Int. Symp. On Science and Technology, June 24-30, 2002, Novosibirsk, Russia, v.2, p. 289-292.
5. Минин И.В., Минин О.В. Элементы дифракционной квазиоптики и системы ММДВ на их основе // Радиотехнические системы ММ и субММ диапазонов: сб. науч. тр. - Харьков: Ин-т Радиофизики и электроники АН Украины, 1991. - С.127-135.
6. Применение голографических радиобьективов для дефектоскопии и диагностики плазмы / Минин И.В., Минин О.В., Скарбо Б.А. и др. // Тезисы докл. 5 всесоюзн. конф. по голографии. - Рига, 1985. - Т. 2. - С. 115-116.
7. Minin O.V., Minin I.V. Diffractive optics of millimeter waves. - IOP Publisher, London-Boston, 2004. - 396 P.
8. Minin I.V., Minin O.V. Explosive pulsed plasma antennas for information protection. Chapter in: “Microwave and Millimeter Wave Technologies: Semiconductor Devices, Circuits and Systems”, ISBN 978-953-307-031-5, 642 pages, Publishing date: March 2010, IN-TECH, Austria 2010.
9. Макарова Д.Г., Ефремов В.С. Применение дисперсионных формул материалов в субмиллиметровом диапозоне длин волн // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 122-132.
10. Савелькаев С.В., Устюгов М.Б. К вопросу повышения эффективности систем автоматизированного проектирования усилительных и автогенераторных СВЧ-устройств // Вестник СГГА. - 2004. - Вып. 9. - С. 128-130.
11. Карманов И.Н., Мещеряков Н.А. Разновидности погрешностей при выполнении экспериментальных измерений // Вестник СГГА. - 2009. - Вып. 10. - С. 194-198.
12. Михайлов И. О., Пизюта Б. А. Автоматизация процесса измерения параметров телескопических систем // Вестник СГГА. - 1998. - Вып. 3. - С. 90-95.
Получено 22.11.2012
© И.В. Минин, О.В. Минин, В.Н. Москвин, М.В. Кузнецов, 2012
133
