К теории приемной антенны в движущейся плазме Ю.В. ЧУГУНОВ Институт прикладной физики РАН г. Нижний Новгород, ул. Ульянова 46

Методика вычисления отклика приемной антенны на падающее излучение Вычисления сделаны с помощью использования теоремы взаимности и флуктуационно- диссипативной теоремы, примененной к регулярному электромагнитному полю и приемной антенне, как частному случаю неравновесной системы, в которой устанавливается "равновесие" (стационарное состояние) между падающим полем излучения и переизлученным антенной электромагнитным полем. Предложенная процедура расчета среднеквадратичного напряжения на приемной антенне, - теорема взаимности, вычисление момента второго порядка и использование флуктуационно- диссипативной теоремы, является универсальной и справедлива для любых сред и любых антенн.

спектральная плотность мощности шумовой или регулярной ЭДС

Выражение для спектральной плотности шумовой или регулярной ЭДС можно проинтегрировать в достаточно общем виде для разреженной изотропной плазмы, задав диэлектрическую проницаемость следующим образом: Это движущаяся двухкомпонентная плазма (например, электроны и протоны). Пусть скорость движения среды больше тепловой скорости электронов. Этот пример особенно наглядно позволяет проследить особенности возбуждения и приема в общем случае неравновесных колебаний и волн.

Поверхности волновых векторов помогают анализу особенностей. Верхняя ветвь соответствует аномальным Доплеровским частотам, нижняя ветвь – нормальным Доплеровским частотам. Случай а) отвечает частотам меньшим плазменной частоты электронов, случай б) частотам большим плазменной частоты. а) б)

Расчет шумовой ЭДС Интегрирование по приводит к следующему результату (аналог формулы Найквиста)

Расчет отклика антенны на регулярное (квазимонохроматическое) излучение. Определение эффективной длины Для анализа и расчета средне – квадратичного напряжения на терминале приемной антенны важной характеристикой является эффективная длина этой антенны. В общем случае средне – квадратичное напряжение V можно определить как произведение амплитуды электрического поля в падающей волне E на эффективную длину приемной антенны Leff, которая пропорциональна произведению действующей длины диполя в вакууме на коэффициент возбуждения волн (ненормированная "диаграмма направленности" дипольного излучателя по электрическому полю) [Чугунов 2001].. Здесь, в общем случае, эффективная длина Leff зависит от частоты излучения, углов прихода излучения и угла ориентации диполя по отношения к оси анизотропии среды.

Сильная группировка: квазипотенциальные волны в магнитоактивной плазме (резонансный конус) При расположении приемной антенны вблизи резонансного конуса в области "света" коэффициент возбуждения квазипотенциальных волн много больше единицы, поэтому найденное напряжение существенно отличается от распространенной оценки по вакуумным формулам. Это связано с особенностями дисперсии волн вблизи резонансной поверхности, когда в заданное направление групповой скорости суммируется вклад многих плоских волн с разными величинами волновых векторов (группировка волн в пространстве фазовых скоростей). (Chugunov Yu.V. 2001; Chugunov Yu.V., Mareev E.A., Fiala V., and James H. G )

Поверхности волновых векторов помогают анализу особенностей. Верхняя ветвь соответствует аномальным Доплеровским частотам, нижняя ветвь – нормальным Доплеровским частотам. Случай а) отвечает частотам меньшим плазменной частоты электронов, случай б) частотам большим плазменной частоты. а) б)

Сильная группировка: изотропная движущаяся плазма. Особенности частотной зависимости эффективной длины антенны связаны здесь с особенностями дисперсии плазменных волн в движущейся плазме вблизи плазменной частоты, когда в определенных направлениях приема излучения из точки излучения вклад в регистрируемое напряжение дает не одна плоская волна, а их некоторая суперпозиция (эффект группировки волн в пространстве фазовых скоростей). В частности, для направления вдоль скорости потока на частоте, равной плазменной, вклад в регистрируемое напряжение дает континуум плоских волн, фазовая скорость которых ортогональна групповой скорости, т.е. направлению скорости потока (Chugunov Yu.V., Fiala V. 2005,2006).

Резонансный отклик приемной антенны Поэтому, если антенна регистрирует электромагнитное поле пакета квазипотенциальных волн в средах с анизотропной дисперсией, таких как магнитоактивная плазма и движущаяся плазма в резонансных полосах частот, эффективная длина антенны может сильно возрастать (в десятки и сотни раз) по сравнению с вакуумным значением в направлениях приема излучения, отвечающим резонансному возбуждению этих волн. Это соответствует резонансному отклику антенны на возбуждение этих волн, который пропорционален коэффициенту возбуждения. Другими словами приемная антенна является своеобразным частотно-угловым фильтром, вырезающим из имеющегося спектра регулярного излучения фиксированные направления и резонансные частоты. Это обстоятельство позволяет предложить новые методы диагностики параметров плазмы и излучений в ней.

Пример сильной группировки Если частота близка к плазменной частоте электронов, наблюдается наиболее ярко выраженная группировка плазменных волн, отвечающих нормальным доплеровским частотам, при углах возбуждения и приема, близких к направлению вектора скорости среды. При этом для антенны из двух шаров на расстоянии 2L для дипольной антенны длины 2L

Приемная антенна как частотно-угловой фильтр и новые методы диагностики параметров плазмы (пример для плазмы солнечного ветра) Данная картинка есть спектры электромагнитных сигналов, принимаемых антеннами на двух спутниках Cluster 11 в одно и тоже время. В данной реализации на фоне шумового спектра видна интенсивная узкая линия на частоте 31,5 кГц, которая соответствует регулярному (не шумовому) излучению в солнечном ветре. Эта линия соответствует локальной плазменной частоте электронов, так как эффективная длина приемной антенны резко возрастает на этой частоте для направлений приема вдоль скорости ветра, т.е. антенна является эффективным частотно-угловым фильтром, «вырезающим» из частотно-углового спектра излучения частоты, близкие к плазменной частоте и углы приема, близкие к направлению скорости потока. Это свойство антенны в движущейся среде позволяет также диагностировать величину скорости ветра по временному сдвигу принимаемого излучения на разных спутниках (см., приведенные пример спектров) и известному расстоянию между ними.

Литература Чугунов Ю. В. Приемная антенна в магнитоактивной плазме в резонансной полосе частот // Изв. Вузов: Радиофиз Т. 44, 1-2. С Chugunov Yu.,V., Mareev E.A.,., Fiala V., and James H. G. Transmission of waves near the lower oblique resonance using dipoles in the ionosphere // Rad. Sci V.38, # 2. P Chugunov Yu.,V., Fiala V. Measurement of wave electric field in space plasmas: the antenna effective length at resonance // Measurement Sci Rev V5, #.3. P Chugunov Yu.,V., Fiala V. Effective length of a receiving antenna in a streamingc plasma. // IEEE Trans. Antennas a. Propagation V. 54, # 10. P Chugunov Yu.,V., Fiala V., Souček J., Santolík O. Noise induced on electric antenna and its effective length in solar wind: Application to CLUSTER observations // Adv. in Space Research V. 37. P Чугунов Ю.В. «Антенная диагностика электромагнитных сигналов в плазме»// Монография «Плазменная гелиогеофизика» Т.2, ФИЗМАТЛИТ, Москва, 2008, статья, раздел 9.5, стр Чугунов Ю.В., Фиала В. К теории приемной антенны в движущейся плазме // Известия ВУЗов «Радиофизика», 2010 (в печати).

Второй пример сильной группировки Этот рисунок отражает особенности дисперсии плазменных волн в движущейся изотропной плазме на частотах близких к плазменной частоте. На правом слайде видна сильная группировка волн для направлений приема по скорости потока, когда частота излучения стремится к плазменной. Подобная ситуация осуществляется в плазме солнечного ветра, и применение предложенного формализма к измерениям на спутниках Cluster II позволило адекватно интерпретировать результаты волновых экспериментов.

В научный совет РАН «Солнце - Земля» В научный совет РАН «Распространение радиоволн» Разработана теория приемной антенны в средах с анизотропной дисперсией, включая движущуюся и магнитоактивную плазму. Показано, что эффективная (действующая) длина приемной дипольной антенны может сильно возрастать (в десятки и сотни раз по сравнению с вакуумным значением) в направлениях приема излучения, соответствующих резонансному характеру возбуждения волн. Результаты теории позволили объяснить экспериментальные данные волновых экспериментов в ионосфере Земли (2-х точечный эксперимент OEDIPUS-C по излучению и приему нижнегибридных волн) и в плазме солнечного ветра (измерения на спутниках Cluster II) и предложить новые методы диагностики параметров космической плазмы. Авторы: Чугунов Ю.В., Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород Мареев Е.А., Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород Fiala V., Институт физики атмосферы Чешской АН, г. Прага James H.G., Центр связи и телекоммуникаций, г. Оттава.