Plasma Antenna Technology in Space Missions

Sadeghi-kia, Fatemeh

Plasma Antenna Technology in Space Missions

Document Type : Original Research Paper

Author

fatemeh Sadeghi-kia

Aerospace Research Institute, Ministry of Science, Research and Technology, Tehran, Iran

Abstract

This study focuses on the characteristics of plasma antennas for their application in space communication systems. Structural and functional characteristics of plasma antenna are presented to evaluate their capability of being used in space missions. Numerical and experimental analysis results of the plasma antenna show that the resonant frequency of the antenna is controllable by changing the applied power, thus allowing different transmitting frequencies with a single element. This property leads to the reduction of the antenna elements in a limited area and the simplification in the layout of onboard communication systems as well as a decrease in the interferences of the electromagnetic waves. Analysis of the circular array of plasma antenna shows a novel beam forming mechanism with a high directivity in the space.

Keywords

Plasma antenna

Earth station

Spacecraft

Plasma array

Article Title Persian

آنتن پلاسما در مأموریت های فضایی

Author Persian

فاطمه صادقی کیا

پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم تحقیقات و فناوری، تهرن، ایران

Abstract Persian

در این مقاله، ویژگیهای استفاده از فناوری پلاسما در آنتن سیستمهای ارتباطی حوزة فضایی مورد بررسی و پژوهش قرار میگیرد. در راستای بررسی قابلیت جایگزینی آنتنهای فلزی با عناصر پلاسمایی معادل در سیستمهای فضایی و ایستگاه زمینی، مشخصات ساختاری و عملکردی آنتن پلاسمای نمونه ارائه میشود. با توجه به نتایج حاصل از تحلیلهای نرمافزاری و اندازهگیریهای انجام شده بر روی آنتن تحت تست درخصوص قابلیت تغییر فرکانس کاری در یک آنتن پلاسمایی، امکان استفادة مشترک و غیرهمزمان از یک آنتن در چند سیستم ارتباطی فراهم است و این ویژگی سبب میشود علاوه بر کاهش تعداد آنتنها در یک فضای محدود، تداخلات الکترومغناطیسی آنها نیز کاهش یابند. بررسی نرمافزاری استفاده از عناصر پلاسمایی در آرایهها، بهویژه آرایههای دایروی، از دیگر دستاوردهای این مقاله پژوهشی است. آرایههای پلاسمایی دایروی میتوانند در جهتیابهای سیگنالهای رادیویی، بهویژه در ایستگاههای زمینی سامانههای بازگشتپذیر، مورد استفاده قرار گیرند و قابلیت چرخش الگوی تشعشعی بسیار جهتدار و با دقت نشانهروی بالا را در فضای دایروی فراهم کنند.

Keywords Persian

آنتن پلاسما

ایستگاه زمینی

سامانه فضایی

آرایه پلاسمایی

[1] MIL-STD-810G, Department of Defense Test Method Standard: Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests, Oct. 2008.

[2] Kuhlman, E., “Space Shuttle Antenna Design and Development,” Antennas and Propagation Society International Symposium, Vol. 10, 1972, pp. 181-184.

[3] Rush, J., Israel, D., Ramos, C. and et.al., Communication and Navigation Systems Roadmap Technology Area 05, National Aeronautics and Space Administration, April 2012.

[4] Anderson, T., Plasma Antennas, Artech House, 2011.

[5] Lieberman, M. A. and Lichtenberg, A. J., Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, New York, Wiley, 1994.

[6] Dwyer, T. J., Greig, J. R., Murphy, D. P., Perin, J. M., Pechacek, R.E. and Raileigh, M., “On the Feasibility of using an Atmospheric Discharge Plasma as an RF Antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 32, 1984, pp.141–146.

[7] Borg, G.G., Miljak, D.G. and Martin, N.M., “Application of Plasma Columns to Radiofrequency Antennas,” Appl. Phys. Lett., Vol. 74, Isuue 22, 1999, pp. 3272–3274.

[8] Alexeff, I., Anderson, T., Prameswaran, S. and et. al. “Experimental and Theoretical Results with Plasma Antennas,” IEEE Trans. Plasma Sci., Vol. 33, 2006, pp. 166–171.

[9] Rayner, J.P., Wichello, A.P. and Cheetham, A.D., “Physical Characteristics of Plasma Antennas,” IEEE Transaction on Plasma Science, Vol. 32, No. 1, Februery, 2004, pp. 269-281.

[10] Sadeghikia, F., Noghani, M.T. and Simard, M. “Experimental Study on the Surface Wave Driven Plasma Antenna,” AEU - International Journal of Electronics and Communications, Vol. 70, No. 5, 2016, pp. 652-656.

[11] El-AzemMalhat, H., Badawy, M. M., HelmyZainud-Deen S. and Awadalla, K.H. “Dual-Mode Plasma Reflectarray/ Transmitarray Antennas,” IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 43, No. 10, 2015, pp. 3582-3589.

[12] Imbriale, W.A., Space Antenna Handbook: Wiley, 2012.

[13] Available, [on line]: http://nautilus.org/napsnet/ napsnet-special-reports/japans-signals-intelligence-sigint-ground -stations-a-visual-guide.

[14] Balanis, C.A., Antenna Theory, Analysis and Design, 3^rd ed. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2005.

[15] Sadeghikia, F., Hodjat-Kashani, F., Rashed-Mohassel, J. Lotfi, A.A. and Ghayoomeh-Bozorgi, J. “Characterization of a Surface Wave Driven Plasma Monopole Antenna,” J. of Electromagn. Waves and Appl., Vol. 26, 2012, pp. 239–250.

[16] Sadeghikiya, F., Hojatkashani, F., Rashed Mohasel, J., and Ghiyome Bozorgi, S.J., "Space Application of a Linear Array of Plasma Antenna," Journal of Space Science and Technology, Vol. 5, No. 3, Fall 2012, pp. 59-66.

[17] Wu, X. P., Shi, J.M., Chen, Z. S. and Xu, B., "A New Plasma Antenna of Beam-Forming," Progress In Electromagnetics Research, Vol. 126, 2012, pp. 539-553.

[18]Sadeghikia, F., Hodjat-Kashani, F., Rashed-Mohassel, J., Lotfi, A.A. and Ghayoomeh-Bozorgi, J., “A Yagi-UDA Plasma Monopole Array,” J. of Electromagn. Waves and Appl., Vol. 26, 2012, pp. 885-894.

[19]Manheimer, W., “Plasma Reflectors for Electronic Beam Steering in Radar Systems,” IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 19, No. 6, 1993, p. 1228.

[20]Mathew, J. and et al., “Electronically Steerable Plasma Mirror for Radar Applications,” IEEE International Radar Conference, June 1995, pp. 742.

[21]Sadeghikia, F., “Analysis of Plasma Monopole Antenna Using Numerical method and an Equivalent Circuit,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letter, Vol. 99, 2017, pp. 1–1.

[22] Badawy, M. M., Malhat, H. A., Zainud-Deen, S. H. and Awadalla, K.H., “A Simple Equivalent Circuit Model for Plasma Dipole Antenna,” IEEE Trans. on Plasma Sci, Vol. 43, No. 12, Dec. 2015, pp. 4092-4098.