CN103730723A - 一种星载等离子体天线产生及发射装置及其通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种星载等离子体天线产生及发射装置及其通信方法，包括放电管、电磁线圈、天线、气室、RF功率源、VLF/ELF波馈源及匹配网络，采用星载等离子体天线对潜通信，及从低轨道卫星上喷射超长等离子体射流作为VLF/ELF发射天线，具有极高的隐蔽性、灵活性和机动性，避免了地基/岸基对潜通信的弱点，充分满足战略核潜艇的通讯需求。
Description
技术领域
本发明属于通信导航领域，具体涉及对潜艇等水下目标的通信导航领域。
背景技术
潜艇工作于海水中，由于海水是导体，一般频段的电磁波由于趋附效应而无法穿透到水下足够深度。传统的对潜通信采用VLF/ELF（甚低频/超低频）频段，可以达到水下几十米以上的深度。但由于地基VLF/ELF天线设备庞大，占地广阔，易受攻击，从而潜艇的战时生存能力和作战效益的发挥受到极大限制。因此近年来国际上开始研究采用绳系卫星从空间对潜通信，但该技术尚处在技术研究阶段，离实际应用尚远。主要参考文献如下：1）贾鑫铎，“对潜通信常见手段及其未来发展”，探索与观察。2）潘威严，“卫星上的VLF发射装置在海面上产生的场”，空间科学学报，第16卷第1期，1996年。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星载等离子体天线通信方法，采用星载等离子体天线对潜通信，及从低轨道卫星上喷射超长等离子体射流作为VLF/ELF发射天线，具有极高的隐蔽性、灵活性和机动性，避免了地基/岸基对潜通信的弱点，充分满足战略核潜艇的通讯需求。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种星载等离子体天线产生及发射装置，包括放电管、电磁线圈、天线、气室、RF功率源、VLF/ELF波馈源及匹配网络，其中，电磁线圈围绕放电管沿其轴向布置，天线放置在放电管外部，与RF功率源连接，气室向放电管中供应工质气体，VLF/ELF波馈源通过匹配网络与放电管相连。
进一步地，天线为Bowswell天线。
本发明还涉及一种星载等离子体天线通信方法，其包括以下步骤：
1）等离子天线的产生，通过电磁线圈在放电管中产生沿轴向的磁场，RF射频源通过天线3在放电管中激发出螺旋波，产生螺旋波等离子体，通过调节电磁线圈的电流和射频源的输入功率可以获得所需要的稠密等离子体；
2）电磁波耦合及发射，VLF/ELF波馈源从放电管尾端以电容耦合方式将电磁波耦合到等离子体天线，当等离子体天线密度足够高，使得等离子体频率ωp大于电磁波频率ω：ωp>ω，电磁波以表面波形式在天线表面传播，并向空间辐射传播电磁波，通过调节匹配网络7的匹配参数，保障实现馈源和天线的最佳功率耦合；
3）电磁波通过电离层传播进入由“地面-电离层边界”构成的大气层波导并在波导内传播，再通过海水的吸收和衰减被水下潜艇接收，从而完成对潜通信。
本发明具有如下的有益效果：
1）等离子体天线具有高度的机动性和灵活性。当需要通信时产生等离子体天线，不需要时关闭等离子体发生装置，相对于地基通讯和绳系卫星通讯具有极大的机动性和更高的安全性。
2）可以实现隐身通信目的。等离子体天线本身就具有隐身特性，通过对雷达发射的电磁波的吸收和折射，使得在雷达上形成的散射截面非常小，从而具有较好的隐身特性。
3）天线方向可随意设定，可以实现最佳功率辐射效率。等离子体天线不受地球力场限制，可以通过改变等离子束流的喷射防线而任意设定天线方向，当天线沿水平方向顺着地磁场磁力线喷射时，不仅有利于等离子体束的约束，而且根据天线的辐射方向图，向星下点的辐射功率最大。
附图说明
图1为本发明的等离子体天线产生及发射装置示意图。
图2是本发明的等离子体虚拟天线VLF/ELF星潜通信原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种星载等离子体天线产生及发射装置，包括放电管1、电磁线圈2、天线3、气室4、RF功率源5、VLF/ELF波馈源6及匹配网络7，电磁线圈2围绕放电管1沿其轴向布置，天线3放置在放电管1内部，与RF功率源5连接，气室4向放电管1中供应工质气体，VLF/ELF波馈源6通过匹配网络7与放电管1相连。
其中，工质气体放电电离在放电管1中产生；电磁线圈2用以在放电管1轴线产生>600Gauss的强磁场，这是实现螺旋波放电的必要条件；天线为Bowswell天线，用以激发m=1模式的螺旋波放电；气室4用于存储供应工质气体；RF功率源用于提供螺旋波放电的功率输入；VLF/ELF波馈源输入VLF/ELF频段的载波功率信号；匹配网络：调节馈源与等离子天线之间的耦合特性，实现最佳的发射功率匹配。
如图1和图2所示，本发明的主要技术环节包括两个方面：1）等离子天线的产生；2）电磁波耦合及发射。
1）等离子天线产生
通过电磁线圈2在放电管1中产生沿轴向的强磁场，线圈电流越大则产生的磁场越强；RF射频源5通过Bowswell天线3可在放电管1中激发出m=1模式的螺旋波，产生螺旋波等离子体。磁场越强、输入射频功率越高，则所产生的等离子体密度越高；因此，通过调节电磁线圈的电流和射频源的输入功率可以获得所需要的稠密等离子体。
由于磁力线在放电管尾部迅速发散，根据磁镜效应，高温等离子体中粒子围绕磁力线的回旋能量通过放电管尾端喷口时转化为沿磁力线的纵向动能；同时为了维持双极扩散，沿轴向会形成一定的电场，使得离子与电子保持相同的扩散速度以维持电中性；在上述两种机制的共同作用下，等离子体束流以几十km/s的速度迅速喷出。
2）电磁波的耦合发射
VLF/ULF波馈源6从放电管1尾端以电容耦合方式将电磁波耦合到等离子体天线，当等离子体天线密度足够高，使得等离子体频率ωp大于电磁波频率ω：ωp>ω，则电磁波以表面波形式在天线表面传播，并向空间辐射传播电磁波。通过调节匹配网络7的匹配参数，保障实现馈源和天线的最佳功率耦合。
电磁波通过电离层传播进入由“地面-电离层边界”构成的大气层波导并在波导内传播，再通过海水的吸收和衰减（在海水中的穿透深度可达50-100米）被水下潜艇接收，从而完成对潜通信。
Claims (3)
1.一种星载等离子体天线产生及发射装置，包括放电管（1）、电磁线圈（2）、天线（3）、气室（4）、RF功率源（5）、VLF/ELF波馈源（6）及匹配网络（7），电磁线圈（2）围绕放电管（1）沿其轴向布置，天线（3）放置在放电管（1）内部，与RF功率源（5）连接，气室（4）向放电管（1）中供应工质气体，VLF/ELF波馈源（6）通过匹配网络（7）与放电管（1）相连。
2.如权利要求1所述的星载等离子体天线产生及发射装置，其特征在于，所述天线（3）为Bowswell天线。
3.一种星载等离子体天线通信方法，其包括以下步骤：
1）等离子天线的产生，通过电磁线圈（2）在放电管（1）中产生沿轴向的磁场，RF射频源（5）通过天线（3）在放电管（1）中激发出螺旋波，产生螺旋波等离子体，通过调节电磁线圈的电流和射频源的输入功率可以获得所需要的稠密等离子体；
2）电磁波耦合及发射，VLF/ELF波馈源（6）从放电管（1）尾端以电容耦合方式将电磁波耦合到等离子体天线，当等离子体天线密度足够高，使得等离子体频率ωp大于电磁波频率ω：ωp>ω，电磁波以表面波形式在天线表面传播，并向空间辐射传播电磁波，通过调节匹配网络（7）的匹配参数，保障实现馈源和天线的最佳功率耦合；
3）电磁波通过电离层传播进入由“地面-电离层边界”构成的大气层波导并在波导内传播，再通过海水的吸收和衰减被水下潜艇接收，从而完成对潜通信。
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