Плазменное управление диаграммой направленности волноводно-щелевой антенны Текст научной статьи по специальности «Физика»

Плазменное управление диаграммой направленности волноводно-щелевой антенны

ПРИВЕДЕНЫ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВОЙ АНТЕННЫ С ПОМОЩЬЮ ПЛАЗМЕННОГО СТОЛБА ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ТРУБКИ ПОМЕЩЕННОЙ ВНУТРЬ ВОЛНОВОДА УПРАВЛЕНИЕ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВОЙ АНТЕННЫ ОСУЩЕСТВЛЯЛОСЬ ИЗМЕНЕНИЕМ РАЗРЯДНОГО ТОКА В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ТРУБКЕ. ИЗМЕНЕНИЕ РАЗРЯДНОГО ТОКА .ОТ 0 ДО 2000 МА ПРИВОДИЛО К ИЗМЕНЕНИЮ ПОЛОЖЕНИЯ МАКСИМУМА ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ НА -170 .

К.С. Володин, И.М. Минаев, А.А. Рухадзе, К.З. Рухадзе, К.Ф. Сергейчев

і О

є = і —2 (0

(1)

_

где ю„ — — квадрат ленгмюров-

т

скои частоты, e — заряд электрона, а m — масса электрона, N — плотность электронов плазмы. В результате эффективная диэлект-

4пе N

рическая проницаемость волновода оказывается равной

і

ю2„ Х\

о

(2)

Существует несколько технических способов управления диаграммой направленности (ДН) фазированных антенных решеток (ФАР), но все они сводятся к изменению фазы излучателей относительно друг-друга. Одним из таких способов является частотное сканирование ДН волноводно-щелевых антенн.

Для управления ДН в пределах большого сектора углов необходима перестройка частоты генератора в широком диапазоне частот, что является недостатком такого метода. Для того чтобы можно было осуществлять сканирование в пределах большого сектора углов и при этом мало менять частоту генератора, используются антенны с большим замедлением (змейковые или спиральные волноводы. волноводы с замедляющей, например, ребристой структурой [1,3- 6]).

Плазменное управление ФАР достигается изменением диэлектрических свойств волновода. С этой целью в волновод антенны вводят газоразрядную трубку, в которой зажигают разряд. Диэлектрическая трубка с диэлектрической постоянной £д заполняется разреженной плазмой разряда, так что бы частота излучения ю намного превосходила эффективную частоту столкновений электронов ve. При этом диэлектрическая проницаемость плазмы равна [2].

Здесь 5 — площадь сечения волновода, Sp — площадь сечения плазменного столба и 5^ — площадь сечения окружающей плазменный столб диэлектрической трубки. Важно отметить, что антенна может работать только тогда, когда эффективная диэлектрическая проницаемость положительна. В противном случае происходит отсечка распространения электромагнитной волны через волновод антенны. При этом плазма вносит отрицательный вклад в эффективную диэлектрическую проницаемость, а диэлектрическая трубка положительную, что приводит к отклонение ДН антенны в противоположные стороны. Таким образом, управляя плотностью плазмы путем изменения тока в газоразрядной трубке можно управлять электродинамическими параметрами многощелевой антенны.

В настоящей работе были проведены исследования возможности управления ДН щелевой антенны с помощью плазмы. Для этого была рассчитана и изготовлена волноводно — щелевая антенна с газоразрядной трубкой, расположенной по оси волновода. Волновод изготовлен из меди. Размеры волновода: большая сторона а = 3,5 см, а малая Ь =1,5 см, соответствовали основной ТЕю моде с длинной волны X = 5см смещение щелей от оси волновода 5 = 4,2 см;

d = 3,5 см — расстояние между осями соседних щелей, выбирались из расчёта рабочей частоты антенны 6 ГГц на моде ТЕ,д ( X = 5 см); длинна щели I ~ 2,5 см.

На рис.1 представлена схема волноводно-щелевой антенны. Щели, прорезанные в волноводе, образуют линейную решетку излучателей, расположены по обеим сторонам от средней линии широкой стенки волновода в шахматном порядке и возбуждаются поперечными составляющими поверхностного тока, Шахматное расположение обеспечивает синфазное их возбуждение.

В волноводе распространяется волна типа ТЕ 1д. Расстояние I. = Л/4, Л — длина волны в волноводе.

Зависимость угла отклонения 0 от параметров решетки и от разности фаз возбуждения соседних щелей дается выражением [6]

Р(0) — 008 (0)-

•(к(І8Іп(0) — а)

№іп

—-(к»І8т(0) — а)1 2 ]

(3)

где N — число щелей, к— 2п/Х — волновое число, X — длина волны задающего генератора, а — 2ла/Л + п, Л — длина волны в волноводе, 0 — угол отсчитывается от нормали к плоскости решетки.

Структурная схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.

Фотография волноводно-щелевой антенны с горящей разрядной трубкой приведена на рис. 3.

N

2

Рис. 2. Структурная схема экспериментальной установки

Колебания, с частотой 6.1ГГц (генератор (Г4-82, длина волны ~4,9см), через измерительную линию и согласующее устройство, поступают на вход многощелевой волноводной антенны, возбуждая в волноводе антенны моду ТЕ]0.

Внутри волновода помещалась трубка из промышленной люминесцентной лампы диаметром 12 мм и длинной 470 мм. В лампе создавалась слабо ионизованная плазма. Блок питания позволял поддерживать разряд через трубку при токах от 50 мА и до 200 мА, и тем самым менять плотность плазмы в трубке.

Излучение принималось приёмником, представляющим собой отрезок прямоугольного волновода к которому подсоединялся коаксиальный вывод. Принятый приёмником сигнал подавался на спектр-анализатор (Я4-С72), работающий в режиме приемника.

Эксперимент. Исследование возможности управления ДН проводилось с помощью измерения двух сигналов, сигнала со спектра-анализатора, пропорционального амплитуде принятого излучения волноводно-щелевой антенны, и сигнала идущего с измерительной линейки, который был пропорциона-

лен отклонению приемного волновода от оси системы[7]. Приёмный волновод передвигался по измерительной линейке параллельно многощелевой антенне, находясь на расстоянии 80 см от нее. Оба сигнала с помощью аналого-цифрового преобразователя (ЛА-5диБВ) оцифровывались и записывались на 1ВМ РС. Результаты измерений представлялись в виде графиков зависимостей амплитуды принятого сигнала от расстояния приемного волновода от оси системы

Структурная схема подключения измерительных приборов к АЦП показана на рис.4.

Измерения ДН щелевой антенны проводились при работе с одной и пятью щелями в отсутствии газоразрядной трубки. При наличии же газоразрядной трубки исследовалась диаграмма направленности щелевой антенны с пятью щелями. На рисунках представлены нормированные ДН, по оси Х масштаб каждой единицы соответствует 0,6д.

На рис. 5 представлена диаграмма направленности антенны с одной щелью.

Видна небольшая асимметрия диаграммы направленности, которая обусловлена отличием частоты исследуемого излучения (6,1 ГГц) от расчётной частоты излучения антенны (6 ГГц).

На рис. 6 представлена диаграмма направленности антенны с пятью щелями.

И здесь видна асимметрия диаграммы направленности, обусловленная отличием частоты излучения антенны от расчётной частоты антенны.

На рис. 7 представлена ДН антенны с не горящей люминесцентной лампой, т.е. с диэлектрической (стеклянной) трубкой, но в отсутствии плазмы. Видно, что диэлектрическая вставка с £д = 4,5 приводит к смещению диаграммы направленности влево, т.е. к повороту в сторону отрицательных углов, что является следствием положительности вклада диэлектрической трубки в эффективную диэлектрическую проницаемость

При зажигании разряда в трубке т.е. при внесении в эффективную диэлектрическую проницаемость отрицательного вклада от плазмы, согласно формулам (2,3) картина меняется. Наличие плазмы в люминесцентной лампе, помещенной в волновод антенны, приводит к смещению диаграммы направленности вправо, т.е. к повороту в сторону положительных углов. С ростом разрядного тока плотность плазмы в трубке растет и, как следствие, растёт угол поворота диаграммы направленности в положительную сторону.

Таким образом, при внесении положительного вклада в эффективную диэлектрическую проницаемость ДН многощелевой антенны поворачивает в сторону отрицательных углов, а при внесении отрицательного вклада — ДН по-

Рис. 3. Волноводно-щелевая антенна с газоразрядной трубкой -220В

ИП

АЦП

ЗВ

Приёмный волновод ^ Сопротивление

^ I / измеоельной линейки

ТТЛ » Измерительная

Спектр-

анализатор

линеика

АЦП

ІВМ РС

Рис. 4. Структурная схема подключения измерительных приборов к АЦП

ЭБРА

Рис. 5. Диаграмма направленности антенны с одной щелью

1.1

У*

Л

- 40

40

Рис. 6. Диаграмма направленности антенны с пятью щелями

1.1

У>

А

- 40 х1 40

Рис. 7. Диаграмма направленности антенны с пятью щелями на частоте 6,1 ГГц, с не горящей диэлектрической трубкой

Рис. 8. Диаграмма направленности антенны с пятью щелями на частоте 6,1 ГГц, с горящей диэлектрической трубкой с током 50 мА

ворачивает в сторону положительных углов. Диэлектрическая трубка обладает диэлектрической проницаемостью £д = 4,5, а следовательно вносит положительный вклад в эффективную диэлектрическую проницаемость, в то время как плазма, обладая диэлектрической проницаемостью меньше единицы, вносит отрицательный вклад, в соответствии с формулой (1):

???

Обсуждение результатов и выводы

Из приведенного выше анализа экспериментальных исследований ДН прямоугольной волноводной многощелевой антенны с плазменным управлением можно сделать следующие выводы

1. Плазма вносит в эффективную диэлектрическую проницаемость волновода отрицательный вклад, что приводит к повороту диаграммы направленности антенны в сторону

положительных углов. С ростом плотности плазмы угол поворота увеличивается, причем для исследуемых нами экспериментальных условий угол поворота становиться положительным при плотностях N >1012 см-3. Вместе с тем согласно, формуле (1), излучение антенны

см

запирается при N > Nfp = 80012

2. Наличие плазменного столба в волноводе приводит к обострению формы главного лепестка ДН.

3. В исследованном диапазоне токов разрядной трубки наблюдается линейная зависимость угла отклонения ДН от тока.

Заключение

В данной работе ставилась цель экспериментально исследовать возможность управления ДН многощелевой антенны с помощью изменения плотности плазмы, заполняющей волновод антенны. Впервые было продемонстрировано, что с помощью плазмы газоразрядной трубки,

внесённой в волновод многощелевой антенны, можно эффективно и практически безинерцион-но управлять ДН излучения антенны. Это открывает принципиально новые возможности реализации быстродействия в изменении диаграммы направленности многощелевых антенн.

Литература

1. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧЭ. — М.: Высшая школа", 1988.

2. Рухадзе АА, Игнатов АМ, Гусейн-заде Н.Г.

Введение в электродинамику плазмы (учебное пособие). — М.: Изд-во МИРЕА, 2007.

3. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. — М.: Связь, 1967.

4. Жук М.С, Молочков Ю.Е. Проектирование антенно-фидерных устройств. — М-Л.: Энергия, 1966.

5. Айзенберг Г.З. Антенны ультракоротких волн. — М.: Связь, 1967.

6. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов/Под ред. Д.И. Воскресенского. — М.: Сов. радио, 1972.

7. Захаров Л.Н., Леманский АА, Турчин В.И. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. — М.: Связь, 1985.

Рис.9. Диаграмма направленности антенны с пятью щелями на частоте 6,1 ГГц, с горящей диэлектрической трубкой с током 150 мА

Рис. 10. Диаграмма направленности антенны с пятью щелями на частоте 6,1 ГГц, с горящей диэлектрической трубкой с током 200 мА