"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"  N 5, 2002

оглавление

дискуссия

 

ОСОБЕННОСТИ РАДИОСВЯЗИ НА УЧАСТКЕ ВХОЖДЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В ПЛОТНЫЕ СЛОИ АТМОСФЕРЫ,  ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫМ ЗАРЯДОМ.
 

О.Б. Воробьев, Н.А. Тенякова

Филиал Ростовского Военного Института Ракетных Войск (ФРВИ РВ)

 

 

Получена 25 мая 2002 г.

 

          Рассмотрено влияние поверхностных состояний Тамма и Шокли на прохождение радиоизлучения через теплозащитные панели (ТПЗ) антенн космических аппаратов в плотных слоях атмосферы.

          Определены параметры области поверхностного заряда решением уравнения Пуассона. На основе волнового подхода определена интенсивность волны, переизлученной тонким слоем избыточного заряда в приповерхностной области ТПЗ.

Показано существенное влияние поверхностного заряда на прохождение через ТПЗ  радиоизлучения.

        До настоящего времени проблема поддержания связи на атмосферном участке полёта ракет не имеет окончательного решения [1,2]. В настоящее время основными причинами ухудшения связи считаются:

-         поглощение, рассеяние электромагнитных волн плазменной оболочкой, возникающей перед движущимся в атмосфере космическим аппаратом;

-          изменение параметров бортовых антенн под действием плазмы.

        Как показывает проведенный нами анализ, существуют дополнительные причины ухудшения радиосвязи. В частности, в ряде случаев в результате воздействия плазмы на теплозащитное покрытие (ТЗП) на нем появляется поверхностный электрический заряд, способный существенно повлиять на радио прозрачность.

        Рассмотрим теплозащитное покрытие, на котором в результате взаимодействия с плазмой находится электрический заряд с поверхностной плотностью .

        Под действием поверхностного заряда в приповерхностной области теплозащитного покрытия возникает область пространственного заряда (ОПЗ). Для определения потенциала электрического поля  в ОПЗ запишем одномерное уравнение Пуассона:

                                          ,                                           (1)

где - объёмная плотность электрического заряда,  и -концентрации электронов и дырок в ОПЗ, ,  - соответствующие концентрации в объёме ТЗП,  - диэлектрическая проницаемость теплозащитного покрытия.  -электрическая постоянная.

        Концентрации носителей заряда в слое ОПЗ определим согласно классической статистике Больцмана в виде:

                         ,                                (2)

где  - постоянная Больцмана,  - абсолютная температура. Если , то уравнение (1) имеет вид

                       ,                            (3)

где - дебаевская длина экранирования, -собственная концентрация носителей заряда.

        Интегрируя (3), в случае изгиба зон вниз получим:

                                           ,                                 (4)

где учтено, что при  изгиб зон отсутствует и в глубине покрытия можно положить , а на поверхности  [3].

Из уравнения (1) при использовании выражения (4) получим, что поверхностная плотность заряда может быть выражена через поверхностный потенциал следующим образом:

                          ,                               (5)

где  потенциал поверхности.

        Если учесть, что

                                           ,                                  (6)

где  и   - эффективные плотности состояний в валентной зоне и зоне проводимости,  - ширина запрещенной зоны материала теплозащитного покрытия, то экспоненциальную функцию выражения (5) можно записать в виде:

.

В силу ограниченности величины поверхностного потенциала  сильная экспоненциальная зависимость  от температуры исчезает.

Отношение концентраций носителей заряда в ОПЗ  и в объеме  равно величине  . При принятом условии   из указанного соотношения вытекает важная роль приповерхностной избыточной проводимости тонкого слоя ОПЗ шириной порядка .

Под действием поля электромагнитной волны с длиной волны  тонкий слой ОПЗ  переизлучает   отраженную волну в противофазе с падающей. Напряженность электрического поля , отраженной волны можно определить по формуле [4]:

                                                                   ,                                                (7)

где  - скорость света,  - скорость движения зарядов под действием падающей волны.

При частоте радиоизлучения 10⁹ Гц движение электронов в твердом теле является столкновительным , поэтому амплитуду скорости можно оценить величиной , где  - коэффициент затухания колебаний,  - амплитуда падающей волны,  - эффективная масса электрона. При этих условиях амплитуду переизлученной волны можно записать в виде:

                                            ,                                           (8)

    Заметной величины, коэффициент отражения падающей волны (>10%) достигает при выполнении условий . Для выполнения этого условия в соответствии с соотношением (8) концентрация носителей заряда на единицу поверхности должна быть порядка 10¹⁶ м^-2 . Такое значение поверхностной концентрации является вполне реальным, как показывают оценки, проведенные по формулам (5), (6) в предположении 5эВ, 10³К.

    Проведенный  анализ показывает необходимость учета поляризации диэлектрических покрытий при рассмотрении механизмов прохождения электромагнитных волн на атмосферном участке полета ракет.

 

 

Литература

1.     Грудинская  Г.П. Распространение радиоволн. М.,Высшая школа,1975, 280 с.

2.     Энергетические характеристики космических радиолиний. Под редакцией Зенкевича О.А., М., Сов.радио, 1972, 436с.

3.     Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. М., Высшая школа, 1977, 447с.

4.     Крауфорд Ф. Волны. Наука, 1984, 510с.

 

оглавление

дискуссия