Численное моделирование пространственного распределения низкочастотного поля, создаваемого передатчиком, установленным на борту космического аппарата

Аннотация

А основе результатов численных расчетов величины напряженности низкочастотного (НЧ) электрического поля излучателя в виде рамочной антенны, установленной на борту искусственного спутника Земли, проведено сравнение этой величины с напряженностью поля, демодулированного в нижней ионосфере, возмущенной излучением мощного коротковолнового передатчика (станция HAARP, Аляска). Показано, что бортовой НЧ передатчик мощностью ~1 кВт способен обеспечить в нижней ионосфере приблизительно ту же напряженность поля, что и демодулятор HAARP при средней потребляемой мощности КВ передатчика 3,6 МВт.

• возмущенная высокоширотная ионосфера
• нагревной стенд
• рамочная антенна
• низкочастотное излучение
• disturbed high latitude low ionosphere
• high power heating facility
• low frequency emissions

Abstract (in English)

Numerical modeling of a spatial distribution of a low frequency field strength produced by ionospheric onboard transmitter

Artificial power low frequency transmitters are widely used as wave sources in the Earth-ionosphere waveguide and in the ionosphere and the magnetosphere for active experiments, for navigation and communication especially with underground or under water objects. In such projects the correct choice of type and placement of the radiating device is especially important. It is well known that earth located electric dipole is relatively non-effective low frequency source because of high earth conductivity in this frequency range. The HAARP project was recently developed particularly for creating an effective low frequency source situated in low disturbed polar ionosphere. Such a source is a result of nonlinear process of demodulation of modulated high frequency emission from a ground based power transmitter. This multistage process seems to have a relatively low efficiency. In this work we try to compare an electric field strength of the HAARP ‘virtual’ low frequency source with a field value of an onboard loop antenna in 1…10 kHz frequency range. The loop field calculations were carried out in linear cold plasma approximation. For excluding of plasma resonances singularities we use a model of the 'finit size' circular electric current source. It is shown that the loop field spatial distribution is extremely non uniform and is highly different from corresponding distribution in free space. It is also shown that onboard loop transmitter of ~1 kW power is capable to give approximately the same low frequency electric field strength in the low ionosphere as whole HAARP station.

Для цитирования

Литература

1. Мошков А.В., Пожидаев В.Н. Пространственное распределение демодулированного низкочастотного поля в ионосфере, возмущенной мощным коротковолновым радиоизлучением. // Радиотехника и электроника. 2013. Т. 58. № 9. С. 965-970. DOI: 10.1134/S106422691309009X
2. Мошков А.В., Пожидаев В.Н. Пространственное распределение демодулированного низкочастотного поля в низкоширотной возмущенной ионосфере. // Радиотехника и электроника. 2017. Т. 62. № 2, С.112-116. DOI: 10.1134/S1064226917020085
3. Мошков А.В., Пожидаев В.Н. Вертикальное распределение демодулированного низкочастотного поля в низкоширотной возмущенной ионосфере. // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63. № 2. С. 134-138. DOI: 10.1134/S1064226918020079
4. Мошков А.В., Пожидаев В.Н. Распределение на поверхности земли напряженности поля низкой частоты, демодулированного в возмущенной нижней ионосфере. // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63. № 5. С. 409-414. DOI: 10.1134/S1064226918050091.
5. Сагдеев P.3., Жулин И.А. Активные эксперименты в ионосфере и магнитосфере. // ДАН СССР. 1975. Т. 220, № 4. С. 874-877.
6. Ерухимов Л.М., Генкин Л.Г. Ионосфера как плазменная лаборатория. // Изв. вузов. Радиофизика. 1992. Т. 35, № 11/12. С. 363-387.
7. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир. 1973. 504 с.
8. Арманд Н.А., Семенов Ю.П., Черток Б.Е. и др. Экспериментальное исследование в ионосфере Земли излучения рамочной антенны в диапазоне очень низких частот, установленной на орбитальном комплексе «Мир-Прогресс-28-Союз ТМ-2». // Радиотехника и электроника. 1988. Т. 33, № 11, С. 2225-2233.
9. Koons H.C., Dazey M.N., Edgar B.C. Impedance Measurements on a VLF Multiturn Loop Antenna in a Space Plasma Simulation Chamber. // Radio Sci. 1984. V. 19. N 1. P. 395-399.
10. Стикс Т. Теория плазменных волн. М.: Атомиздат. 1965. 343с.
11. Фаткуллин M.H., Зеленова Т.И., Козлов В.К. и др. Эмпирические модели среднеширотной ионосферы. М.: Наука. 1981. 256 с.
12. Staras H. The Impedance of an Electric Dipole in a Magnetoionic Medium. // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1964. V. AP-12. N 6. P. 695-702.
13. Staras H. The "Infinity Catastrophe" associated with Radiation in Magnetoionic Media. // Radio Sci. 1966. V. 1. N 9. P. 1013-1020.
14. Беллюстин Н.С. Об излучении волн свистового диапазона в плазме. // Известия вузов, Радиофизика. 1978. Т. 21. № 1. С. 22-35.
15. Mittra R., Deschamps G.A. Field Solution for a Dipole in an Anisotropic Medium. / "Electromagnetic Theory and Antennas", part 1. Ed. E.C.Jordan. Pergamon Press. 1963. P. 495-512.
16. Справочник по специальным функциям. / Ред. Абрамовиц А., Стиган И. М: Наука. 1979. 832 с.
17. Jin G., Spasojevic M., Cohen M.B., Inan U.S., Lehtinen N.G. The relationship between geophysical conditions and ELF amplitude in modulated heating experiments at HAARP: Modeling and experimental results. // J. Geophys. Res.: Space Physics. 2011. V. 116. N A07310. DOI: 10.1029/2011JA016664.
18. Palmer T.N., Alessandri A., Andersen U. et al. Development of a European multi-model ensemble system for seasonal to inter-annual prediction (DEMETER). // Bulletin of the American Meteorological Society. 2004. V. 85. N 6. P. 853-872.
19. Piddyachiy D., Inan U.S., Bell T.F., Lehtinen N.G., Parrot M. DEMETER observations of an intense upgoing column of ELF/VLF radiation excited by the HAARP HF heater. // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. N A10308. DOI:10.W29/2008JA013208.
20. Piddyachiy D., Bell T.F., Berthelier J.-J., Inan U.S., Parrot M. DEMETER observations of the ionospheric trough over HAARP in relation to HF heating experiments. // J. Geophys. Res.: Space Physics. 2011. V. 116. N A06304. DOI: 10.1029/2010JA016128.
21. Cohen M.В., Inan U.S., Piddyachiy D., Lehtinen N.G., Golkowski M. Magnetospheric injection of ELF/VLF waves with modulated or steered HF heating of the lower ionosphere. // J. Geophys. Res.: Space Physics. 2011. V. 116. N A06308. DOI: DOI: 10.1029/2010JA016194.
22. Cohen M.В., Inan U. S. Terrestrial VLF transmitter injection into the magnetosphere. // J. Geophys. Res.: Space Physics. 2012. V. 117. N A08310. DOI:10.1029/2012JA017992.
23. Lehtinen N.G., Inan U.S. Radiation of ELF/VLF waves by harmonically varying currents into a stratified ionosphere with application to radiation by a modulated electrojet. // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. N A06301. DOI:10.1029/2007JA012911.
24. Lehtinen N.G., Inan U.S. Full-wave modeling of transionospheric propagation of VLF waves. // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36. N L03104. DOI: 10.1029/2008GL036535.
25. Platino M., U.S. Inan U.S., Bell T.F., Parrot M., Kennedy E.J. DEMETER observations of ELF waves injected with the HAARP HF transmitter. // Geophys. Res. Lett. 2006. V. 33. N L16101. DOI: 10.1029/2006GL026462.
26. Kulkarni P., Golkowski M., Inan U.S., Bell T.F. The effect of electron and ion temperature on the refractive index surface of 1 -10 kHz whistler mode waves in the inner magnetosphere. // J. Geophys. Res.: Space Physics. 2015. V. 120. N 2. P.581-591. DOI: 10.1002/2014JA020669.