بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به حل معادلات دیفرانسیل که در مسایل آنتنهای پلاسمایی ایجاد میشود خواهیم پرداخت. در بخش اول همان معادله لاپلاس است که در رابطه تشدید در آنتنهای پلاسمایی ایجاد میشود. در مورد نحوه ایجاد این معادله صحبت خواهد شد. و با استفاده از حل معادلات لاپلاس، معادلات مربوط به میدان الکتریکی تولید شده و تشعشع کننده از یک آنتن پلاسمایی مورد بررسی قرار میگیرد . و رفتار دامنه این میدانها را با استفاده از نرم افزار متمتیکا شبیه سازی میکنیم و نتایج عددی به دست آمده را ارائه میدهیم.
واژه های کلیدی:معادلات لاپلاس ، تشدید ، متمتیکا ، حل عددی، آنتن پلاسمایی.
-1مقدمه
با توجه به فضای محدود روی وسایل نقلیه هوایی و فضایی و نیز مطالبات روزافزون برای افزایش سیستمهای مخابراتی در این سامانهها، عملکرد این سیستمها به دلیل ایجاد اثر تداخلی بین آنتنهای همجوار کاهش مییابد. علاوه بر این، افزایش تعداد آنتنها روی سیستم سبب افزایش وزن و درگ در این سیستمها میشود .[1] بهترین روش برای حل چنین مشکلاتی کاهش تعداد آنتنهای روی بدنه است تا بتوان از یک آنتن برای چند منظور استفاده کرد. انگیزه استفاده چند منظوره از یک آنتن با قابلیت شکلگیری مجدد میتواند ما را به سمت استفاده از فناوری نوظهور آنتن پلاسما سوق دهد.
با استفاده از این فنآوری، آنتنهایی که در زمانهای مشخص مورد استفاده قرار نمیگیرد سیگنالهای ناخواسته با توان بالا را به گیرندههای مجاورشان منتقل نمیکنند و بدین ترتیب از یک سو ساختار الکترونیکی گیرندهها سادهتر شده [2] و از سوی دیگر قابلیت اطمینان سیستمها، به ویژه در مقابل تهدیدات جنگ الکترونیک، افزایش مییابد. پژوهش در زمینه آنتن پلاسما به صورت عمده از سال 1993 در آمریکا و استرالیا آغاز شد، لیکن در حال حاضر در بخشهای زیادی از جهان دنبال میشود. با افزایش این پژوهشها در آینده به نظر میرسد کاربرد این فناوری در صنعت هوافضا عمومیت بیشتری پیدا کند و موانع موجود در پیادهسازی آن مرتفع شود.
با توجه به آنکه آنتنهای پلاسما به دلیل برخورداری از قابلیتهای فشردگی، تغییر سریع فرکانسی، سطح مقطع راداری محدود و بسیار کم، برقراری لینک ارتباطی با قابلیت اطمینان بالا و قابلیت شکلگیری سریع، میتوانند جایگزین ارزشمندی برای فلزات در کاربردهای فعلی محسوب شوند. سرمایهگذاریهای بسیاری در زمینه تحقیق و پژوهش روی مشخصات آنها در کشورهای پیشرفته جهان انجام میگیرد. با استفاده از ستون پلاسما به عنوان آنتن، طول آنتن با تغییر مشخصات فیزیکی و تحریک پلاسما به سرعت قابلتغییر است و به این ترتیب با تنظیم سریع مشخصات فیزیکی آن، میتوان آنتنی برای فرکانس جدید طرح کرد. آزمایشها نشان میدهد که چنین آنتنهایی راندمان نسبتاً خوبی - بیش از - %50 دارند و میتوانند نویز کمی در باندهای فرکانسی تولید کنند .[6-2]آنتن پلاسما در صورت طراحی دقیق و مناسب میتوانند در مدت کوتاهی، در حد چند میلیثانیه، خاموش و روشن شوند 1 ]، 2، [7
-2اساس کار آنتنهای پلاسمایی و خواص آن
همان طور که میدانیم ثابت دیالکتریک نسبی پلاسمای الکترونی سرد، در غیاب میدان مغناطیسی خارجی و با فرض اینکه پلاسما غیر برخوردی باشد به صورت زیر است :[8]واضح است که برای فرکانسهای کمتر از فرکانس پلاسما، rمنفی و ضریب شکست موهومی محض است. میدان الکتریکی یک موج تکفام که در راستای a قطبیده شده و در راستای z انتشار مییابد، به صورت زیر نوشته میشود:
که ثابت انتشار است و از رابطه زیر به دست میآید:
که در آن00 =k.=و ثابت میرایی و ثابت فاز است. سه حالت زیر برای فرکانس موج تابشی امکانپذیر است:
-3 این حالت مرز میان انتشار و میرایی موج است که فرکانس بحرانی1 نام دارد. بنابراین پلاسما برای فرکانسهای کمتر از فرکانس پلاسما مانند یک رسانا عمل میکند. اگرچه فرکانسهای کمتر از p نمیتوانند در پلاسما منتشر شوند، ولی مرز میان پلاسما و دیالکتریک محیط مناسبی برای انتشار امواج سطحی به شمار میرود .[3] در بخشهای بعدی به بررسی امواج سطحی پلاسما و رابطه پاشندگی این امواج خواهیم پرداخت.صرفه نظر از روش ساخت و نگهداری، آنتنهای پلاسما دارای مزیت بسیاری نسبت به آنتنهای فلزی هستند. از جمله میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
-1 امکان تغییر شکل و تغییر حالت: با تغییر انرژی مورد نیاز برای تولید پلاسما، چگالی و طول پلاسما قابلتغییر است. بنابراین آنتن به راحتی برای استفاده در فرکانسهای مختلف کوک میشود .[3]
-2 قابلیت ناپدید شدن: در حقیقت این آنتنها با انرژی دهی و ایجاد پلاسما شروع به کار میکنند و پس از قطع این انرژی و از کار افتادن سازوکار پلاسما، به شکل یک محفظه گاز نارسانا تبدیل میشوند که به راحتی قابلتشخیص و ردیابی توسط رادار نیستند [4] ، از آن گذشته چون از این آنتنها معمولاً در محدوده رادیویی استفاده میشود، چگالی الکترونی مورد نیاز در آنها خیلی زیاد نیست. بنابراین حتی در هنگام روشن بودن نیز این آنتنها قابلیت ردیابی توسط رادارهای میکروویو نیستند. تحقیق در مورد کاهش قدرت مورد نیاز در یونیزه کردن گازی که در آنتن پلاسما به کار میرود در چگالیهای متفاوت پلاسما، بسیار مهم است و نتایج مفیدی را نیز ایجاد کرده است. لابراتوار تحقیقاتی ناول2 در ایالت متحده تحت نظر مانهینر3 و دیگر همکارانش [5]، آنتنهای پلاسمایی بازتابندهای بنام " آینه سریع انتقال"4 ایجاد کردهاند.
-3 حذف زنگ زدن: یکی از مشکلات اساسی در آنتنهای فلزی، تابش آنها تا مدتی پس از قطع مولد است. این خاصیت که زنگ زدن 5 آنتن نامیده میشود، در آنتنهای پلاسما بسیار کم است. بهعبارتی تابش این آنتن پس از خاموش شدن پلاسما سریعاً قطع میشود. به این ترتیب میتوان پالسهای کوتاهتر از 100 ns را با استفاده از این آنتنها انتقال داد .[6] اگرچه در بیشتر موارد موج ناخواسته - نویز - ناشی از این آنتنها نسبت به آنتنهای فلزی بیشتر است، اما مواردی نیز مقدار آن قابلمقایسه با آنتنهای مسی گزارش شده است .[7]
-4در میان آنتنهای پلاسمایی با فرکانس پایین، آنتنهای با فرکانس بالا میتوانند امواج رادیویی را فرستاده و دریافت کنند. این در حالی است که این امکان در میان آنتنهای فلزی وجود ندارد.
به لحاظ این توانمندی، آنتنهای پلاسمایی با فرکانسی بالا میتوانند به صورت آشیانهای در میان آنتنهای پلاسمایی با فرکانس پایین قرار گیرند و آنتنهای پلاسمایی با فرکانس بالاتر میتوانند در بین این آنتنهای با فرکانس پایین بدون هیچ مشکلی امواج
