On the calculation of the radiation pattern of an elementary loop antenna located in the Earth's ionosphere

Abstract

A low-frequency loop antenna located in the ionosphere can be used as an effective tool for plasma diagnostics and radio communications. The problem of finding the far field of an antenna is a magnetoplasma such as the ionosphere was solved by several workers earlier. It was shown that the results may be reformulated in a simpler manner to express them in terms of the normalized characteristic plane waves of the medium. This has the advantage of showing clearly how the far field depends on the free space pattern of the antenna, on the shape of the dispersion surface, namely, on the curvature characteristics of this surface. The purpose of this work is to explicitly express in general terms the dependence of the radiation pattern of the elementary loop antenna on the Gaussian radius of curvature of the dispersion surface. Cold plasma approximation is used without explicit limitations on wave frequency and direction. For this purpose, coefficients of the first and the second fundamental forms at any point of dispersion surface are calculated. As an illustration, the results of calculating the radiation pattern of the loop antenna in the frequency interval 1...100 kHz are given. A corresponding computational algorithm is formulated.

• ionosphere
• loop antenna
• radiation pattern
• dispersion surface
• Gaussian radius of curvature

Аннотация (на русском)

О вычислении диаграммы направленности элементарной рамочной антенны, расположенной в ионосфере Земли

Вычислены коэффициенты первой и второй квадратичной формы, а также гауссов радиус кривизны, поверхности волновых нормалей электромагнитной волны, распространяющейся в холодной многокомпонентной гиротропной ионосферной плазме в произвольном направлении в широком диапазоне частот. Приведена простая и наглядная процедура вычисления диаграммы направленности элементарной рамочной антенны, расположенной в ионосфере.

For citation

References

1. Акиндинов В.В., Еремин С.М., Лишин И.В. Антенны низкой частоты в магнитоактивной плазме (обзор) // Радиотехника и электроника. - 1985. - Т. 30. - № 5. - С. 833-850.
2. Бункин Ф.В. Об излучении в анизотропных средах // ЖЭТФ. - 1957. - Т. 32. - № 2. - С. 338-344.
3. Wang T.N.C., Bell T.F. VLF/ELF Radiation Patterns of Arbitrarily Oriented Electric and Magnetic Dipoles in a Cold Lossless Multicomponent Magnetoplasma // J. Geophysical Research. - 1972. - Vol. 77. - No. 7. - P. 1174-1189. https://doi.org/10.1029/JA077i007p01174
4. Беллюстин Н.С. Об излучении волн свистового диапазона в плазме // Известия вузов. Радиофизика. - 1978. - Т. 21. - № 1. - С. 22-34.
5. Deschamps G.A., Kesler O. Radiation Field of an Arbitrary Antenna in a Magnetoplasma // IEEE Tr. on Antennas and Propagation. - 1964. - Vol. 12. - No. 6. - P. 783-785. https://doi.org/10.1109/TAP.1964.1138298.
6. Стикс Т. Теория плазменных волн. - Москва: Атомиздат, 1965. - 345 с.
7. Фаткуллин M.H., Зеленова Т.И., Козлов В.К. и др. Эмпирические модели среднеширотной ионосферы. - Москва: Наука, 1981. - 256 с.
8. Helliwell R.A. The role of the Gendrin mode of VLF propagation in the generation of magnetospheric emissions // Geophysical Res. Lett. - 1995. - Vol. 22. - No. 16. - P. 2095-2098. https://doi.org/10.1029/95GL02003
9. Rasmussen C.E., Banks P.M., Harker K.J. The minimum distance to the far field in a magnetized plasma // Radio Sci. - 1986. - Vol. 21. - No. 6. - P. 920-928. https://doi.org/10.1029/RS021i006p00920