Физика плазмы, 2019, T. 45, № 4, стр. 365-368

1. ВВЕДЕНИЕ

Плазменные антенны – класс антенн, в которых в качестве волноведущих, излучающих и управляющих элементов используется плазма [1–6]. Актуальность исследований плазменных антенн связана с необходимостью поиска новых решений задач современной радиотехники: создание интеллектуальных антенн с безынерционным управлением характеристиками (диаграммой направленности, частотным диапазоном и др.) для современных телекоммуникационных систем; cнижение радиолокационной заметности антенных устройств; повышение защищенности радиотехнических систем от воздействий мощными электрическими импульсами.

В развитии плазменных технологий в антенной технике можно выделить несколько направлений: плазменные антенны из газоразрядных трубок; плазменные твердотельные (кремниевые) антенны; струйные плазменные антенны и др. [5]. Одно из наиболее интересных направлений – плазменные антенны из газоразрядных трубок [1, 2, 4, 6–12]. В данной работе исследуется плазменная несимметричная вибраторная антенна (ПНВА) на газоразрядной трубке и проводится сравнение ее характеристик (диаграммы направленности и спектра излучения) с характеристиками аналогичной металлической антенны. Несмотря на то что ПНВА исследуется с 1999 г. [1, 2, 4, 6–9], еще остается ряд актуальных вопросов, в том числе исследование шумов и нелинейных искажений излучаемого сигнала ПНВА [11–13].

2. ПЛАЗМЕННАЯ НЕСИММЕТРИЧНАЯ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА, ПИТАЕМАЯ ОТ КОАКСИАЛЬНОГО КАБЕЛЯ

Плазменная несимметричная вибраторная антенна, как и металлическая несимметричная вибраторная антенна (МНВА), состоит из вибратора, соединенного с центральным проводником коаксиального кабеля, и проводящего диска, соединенного с внешним проводником коаксиального кабеля. Оптимальной длиной плеча вибратора считается l_a = λ/4 [14]. В случае плазменной антенны вибратор представляет собой газоразрядную трубку с плазмой (в простейшем случае люминесцентную лампу). Плазма в трубке может создаваться как за счет внешнего источника, подключаемого к газоразрядной трубке [1, 2, 11], так и за счет источника излучаемого высокочастотного сигнала (генератора или связного передатчика) [4, 7]. Создание плазмы в газоразрядной трубке ПНВА за счет энергии сигнала от связного передатчика имеет свои преимущества: позволяет упростить схему подключения плазменной антенны и сделать ее аналогичной схеме подключения МНВА. Стандартным способом подключения ПНВА к связному передатчику, как и в случае МНВА, является соединение с помощью коаксиального кабеля (рис. 1). При использовании стандартных коаксиальных кабелей с диаметром внутреннего проводника меньше, чем внутренний диаметр газоразрядной трубки, внутренний проводник соединяется напрямую с электродом газоразрядной трубки (рис. 1).

Рис. 1.

Плазменная несимметричная вибраторная антенна с питанием от коаксиального кабеля: 1 – металлический экран, 2 – диэлектрическая трубка с плазмой, 3 – коаксиальный кабель (внутренний проводник).

В данной работе исследовалась диаграмма направленности (ДН) и спектр излучения ПНВА длиной l_a = 29 см и внешним диаметром газоразрядной трубки (люминесцентной лампы) d_a = = 1.2 см на частоте f₀ = 444…445 МГц, в лампе находится смесь аргона с давлением 1…3 Торр (концентрация нейтральных частиц n = 0.6…1.3 × × 10¹⁷ см^–3) и паров ртути с давлением около 10^‒3 Торр. Измеренные характеристики сравнивались с характеристиками аналогичной металлической антенны с длиной l_a = 29 см и диаметром d_a = 1 см.

3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ СТЕНД

Измерения диаграмм направленности и спектров излучения ПНВА и МНВА проводились в безэховой камере с помощью измерительного стенда, схема которого представлена на рис. 2. Формируемый передатчиком 1 (радиопередающая станция Vertex VX-2100) немодулированный сигнал f₀ = 444…445 МГц по коаксиальному кабелю подавался на закрепленную на поворотном устройстве 2 исследуемую (плазменную или металлическую) антенну 3. Излучаемый антенной сигнал принимался в дальней зоне (на расстоянии 5 м от исследуемой антенны) измерительной антенной 4. Принимаемый измерительной антенной сигнал поступал на анализатор сигнала (спектра) 6 Agilent PNX 9030A с диапазоном частот 3 Гц…13.6 ГГц. Для тестирования измерительного стенда в приемную цепь подключался аттенюатор 5 с коэффициентом подавления 20 дБ.

Рис. 2.

Cхема стенда для измерения спектра излучаемого сигнала: 1 – передающая радиостанция VX2100, 2 – поворотное устройство, 3 – исследуемая антенна, 4 – измерительная антенна, 5 – аттенюатор (использовался для проверки измерительной линии), 6 – анализатор сигналов (спектра) Agilent PXA N9030A.

Диаграмма направленности антенн измерялась в E-плоскости, поворотное устройство 2 вращалось с шагом 10°, и фиксировалось изменение принимаемой мощности на экране анализатора сигналов. После измерения диаграммы направленности и определения основного направления излучения (максимума ДН), поворотное устройство 2 выставлялось таким образом, чтобы максимум ДН исследуемый антенны 3 был направлен на измерительную антенну 4, и проводились измерения спектра, излучаемого исследуемой антенной.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 3 представлены диаграммы направленности в Е-плоскости для ПНВА и МНВА в полярных (рис. 3а) и декартовых (рис. 3б) координатах. Из рис. 3а видно, что максимумы основных лепестков ДН для ПНВА и МНВА близки по положению в пространстве (50°–60° и 300°–310°), а уровень бокового лепестка по отношению к основному у ПНВА много меньше, чем у МНВА. Рис. 3б показывает, что амплитуда максимума ДН МНВА в 4 раза больше, чем у максимума ДН ПНВА. Это объясняется затратами энергии электромагнитной волны на ионизацию плазмы в случае ПНВА и отличиями в соединении ПНВА и МНВА с коаксиальным кабелем, приводящими к высоким потерям мощности при использовании ПНВА. Амплитуда бокового лепестка диаграммы направленности ПНВА в 8 раз меньше амплитуды бокового лепестке ДН МНВА.

Рис. 3.

Диаграммы направленности по мощности (1 – МНВА, 2 – ПНВА): а) – в полярных координатах, нормированные на максимальное значение для каждой диаграммы; б) – в декартовых координатах, нормированные на максимальное значение диаграммы МНВА.

Также в данной работе были проведены измерения спектра излучаемого немодулированного сигнала исследуемых антенн. При данных измерениях поворотное устройство выставлялось таким образом, чтобы максимум ДН исследуемых антенн был направлен на измерительную приемную антенну. В измеренных спектрах излучения МНВА и ПНВА (рис. 4) присутствуют частота входного сигнала f₀ = 444…445 МГц, вторая 2f₀ = = 894…895 МГц и третья 3f₀ = 1.338…1.339 ГГц гармоники. Спектр излучения ПНВА также содержит четвертую гармонику 4f₀ = 1.7818 ГГц частоты входного сигнала. На основной частоте f₀ мощность сигнала МНВА на 1.64 дБм больше сигнала ПНВА; это, как и в случае с диаграммой направленности, связано с тем, что часть энергии уходит на создание плазмы в диэлектрической трубке. На второй гармонике уровень мощности излучаемой ПНВА на 50 дБм больше, чем у МНВА, для третьей гармоники разность составляет 12.3 дБм. Уровень излучаемой мощности МНВА на четвертой гармонике не превышает уровень собственных шумов анализатора спектра, а для плазменной антенны этот уровень на 27.1 дБм выше уровня собственных шумов анализатора спектра. Высокий уровень кратных гармоник частоты f₀ при излучении сигнала ПНВА можно объяснить нелинейным влиянием плазмы на излучаемый сигнал, а также отличием в соединении антенн коаксиальным кабелем: в случае с ПНВА (рис. 1) сигнал из коаксиального кабеля частично направлен через плазму с торца газоразрядной трубки. Изменение соединения ПНВА с коаксиальным кабелем, через согласующее устройство таким образом, чтобы сигнал не проходил через плазму, может снизить нелинейные искажения.

Рис. 4.

Спектры излучения: а) – металлической несимметричной вибраторной антенны; б) – плазменной несимметричной вибраторной антенны.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диаграммы направленности показали сходство (направленности главного и бокового лепестков) плазменной и металлической антенн. Однако плазменная несимметричная вибраторная антенна демонстрирует меньшую амплитуду максимума диаграммы направленности плазменной антенны, а также ее более узкую направленность. Полученные спектры излучения немодулированного сигнала позволяют оценить, что величина потерь энергии на создание плазмы в ПНВА с помощью излучаемой электромагнитной волны составляет менее 27%. В спектре ПНВА обнаружено нелинейное усиление кратных гармоник частоты излучаемого сигнала в сравнении с спектром сигнала МНВА, обусловленное нелинейностью плазмы и не совсем удачным способом передачи сигнала на плазменную антенну. Использование согласующих переходников при подсоединении коаксиального кабеля может существенно уменьшить нелинейные искажения.

Авторы благодарят к.ф.-м.н. К.Ф. Сергейчева и Г.Г. Хадисова за помощь в проведении экспериментальных измерений, проф. А.А. Рухадзе и проф. А.М. Игнатова – за обсуждение и ценные замечания.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 16-08-00859 а.