ES2333177T3 - Dispositivo de acoplamiento entre una antena de plasma y un generador de señal de potencia. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de acoplamiento entre una columna de plasma que hace las veces de antena y un generador eléctrico de señal de potencia, asociado con un láser (14), caracterizado porque comprende al menos dos electrodos conductores (1, 2) perforados cada uno por un orificio (3, 4), siendo estos orificios coaxiales, estando los electrodos conectados por una parte a una fuente de alta tensión continua (8) y por otra parte a una fuente de señal alterna de potencia (13), estando el láser dispuesto de forma que su haz llegue según el eje (5) de los indicados orificios de los electrodos.
Description
Dispositivo de acoplamiento entre una antena de
plasma y un generador de señal de potencia.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de acoplamiento entre una antena de plasma y un
generador de señal de potencia, así como a un procedimiento de
utilización de una antena de plasma que comprende un dispositivo de
acoplamiento de este tipo.
Las antenas radioeléctricas clásicas (metálicas)
funcionan generalmente en una banda de frecuencias estrecha, y sus
dimensiones son proporcionales a la longitud de onda de
funcionamiento. En los ámbitos de las bajas frecuencias
("L.F."), frecuencias muy bajas ("V.L.F.") y frecuencias
extremadamente bajas ("E.L.F."), la altura de las antenas de
tipo "cuarto de onda" deberían alcanzar varios centenares de
metros a varios centenares de kilómetros (por ejemplo 750 m a 100
Khz.), lo cual hace su construcción muy difícil o incluso
irrealizable. Además, las mismas no pueden en ningún caso ser
fácilmente desplazables. Ahora bien, estos ámbitos de frecuencias se
utilizan particularmente para las comunicaciones con los submarinos
en inmersión.
Para resolver estos problemas, es conocido
utilizar antenas denominadas "antenas de plasma", por ejemplo
por la patente US-3.404.403. Esta patente describe
una antena de plasma que comprende una fuente láser impulsada,
medios para focalizar el haz láser en diferentes puntos para ionizar
una columna de aire y medios para acoplar una señal en la base de la
columna de aire ionizada, haciendo esta columna función de elemento
radiante para emitir y/o recibir una señal radioeléctrica. Se
conocen igualmente antenas de plasma por la patente
US-6.087.993 y la patente
FR-2.863.782. En el primer documento, se trata de
hacer la antena desplazable y disminuir la longitud de la columna de
aire ionizada modulando la corriente de excitación del generador de
ionización y concentrando la producción de electrones en al menos
una parte de esta columna. En el segundo documento, se utiliza un
láser femtosegundo para generar un filamento en la columna de aire
ionizada.
Las antenas de plasma descritas en estos
documentos y que funcionan por ionización de aire son furtivas y no
necesitan ninguna infraestructura, al contrario de las antenas
clásicas. Sin embargo, en todas estas antenas de plasma conocidas,
el acoplamiento entre la columna de plasma y el generador eléctrico
de potencia que genera la señal a emitir no se ha optimizado. En
efecto, por ejemplo la indicada patente francesa
FR-2.853.782 describe un dispositivo de acoplamiento
capacitivo (del orden de algunos pF) o inductivo cuya impedancia es
muy baja, lo cual degrada claramente la transferencia de potencia
entre el generador eléctrico y la antena.
La presente invención tiene por objeto un
dispositivo de acoplamiento entre una columna de plasma que hace
las veces de antena y un generador de señal de potencia, dispositivo
que permite una transferencia de potencia muy buena entre el
generador eléctrico y la columna de plasma cuando esta está formada.
La presente invención tiene igualmente por objeto una antena que
utiliza un dispositivo de este tipo, antena que puede funcionar a
frecuencias muy bajas. Por último la presente invención tiene por
objeto un procedimiento de formación de una columna de plasma con
miras a constituir una antena.
El dispositivo de acoplamiento conforme a la
invención está asociado a un láser y se caracteriza porque
comprende al menos dos electrodos conductores perforados cada uno
por un orificio, siendo estos orificios coaxiales, estando los
electrodos conectados por una parte a una fuente de alta tensión
continua y por otra parte a un generador de señal de potencia,
estando el láser dispuesto de forma que su haz llegue según el eje
de los indicados orificios de los electrodos.
La presente invención se comprenderá mejor con
la lectura de la descripción detallada de un modo de realización,
tomado a título de ejemplo no limitativo e ilustrado por los dibujos
anexos, en los cuales:
- La figura 1 es un esquema simplificado de un
dispositivo conforme a la invención para la creación de una antena
de plasma;
- Las figuras 2 a 6 son esquemas simplificados
del dispositivo de la figura 1 que muestra las diferentes fases
sucesivas de un ejemplo de realización de la invención para la
creación de una antena de plasma;
- La figura 7 es un cronograma simplificado que
ilustra las fases de realización de las figuras 2 a 6;
- La figura 8 es un esquema simplificado de una
variante del dispositivo de la invención; y
- La figura 9 es un cronograma de una variante
del procedimiento de la invención, con dos activaciones láser.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención se describe a
continuación haciendo referencia a la creación de una columna de
aire ionizada, y se entiende que la ionización de esta columna puede
reducirse a una ionización filamentosa a nivel del eje de simetría,
como se ha descrito en la patente francesa anteriormente
mencionada, FR-2.863.782 cuando se utiliza un láser
del tipo femtosegundo. Se entiende igualmente que el modo de
realización preferido del dispositivo de la invención, tal como se
describe a continuación, comprende dos electrodos perforados por
orificios coaxiales, pero el dispositivo de la invención puede
comprender un número más elevado de electrodos. El dispositivo
descrito a continuación se representa en una posición orientada de
forma que la columna de plasma que permite crear sea vertical, pero
se entiende que este dispositivo puede tener cualquier otra
orientación, con el fin de que la antena sea por ejemplo horizontal.
La antena de plasma obtenida según la invención se describe aquí
como antena de emisión, pero se entiende que la misma puede
igualmente ser utilizada en recepción, con la condición, bien
entendido, de mantener conectado el generador de baja o muy baja
frecuencia descrito a continuación.
El dispositivo representado en la figura 1
comprende dos placas metálicas 1, 2 que forman electrodos y
perforados cada uno por un orificio 3, 4 respectivamente, siendo los
dos orificios coaxiales, estando su eje común referenciado por 5. La
forma de estos electrodos no es crítica. Las formas pueden por
ejemplo ser circulares o poligonales. Los orificios 3 y 4 son
perforados de preferencia en el centro de estos electrodos.
Los electrodos 1 y 2 se conectan por una parte
por medio de resistencias estabilizadoras 6 y 7 respectivamente, a
una fuente de alta tensión 8, conectándose una resistencia 9 entre
los dos electrodos, a nivel de su unión con las resistencias 6 y 7.
En las figuras siguientes, esta resistencia 9 no está representada,
pero se entiende que la misma puede estar presente. El polo positivo
de la fuente 8 está conectado, de preferencia, al electrodo 2 (en
particular cuando estos electrodos están dispuestos horizontalmente
y a poca distancia del suelo). Por otra parte, los electrodos 1 y
2 se conectan por medio de condensadores de aislamiento en continuo
10, 11 respectivamente y una línea 12, de preferencia coaxial, con
un emisor de potencia 13 de baja o muy baja frecuencia y de elevada
tensión de cresta, que puede estar próximo o alejado de los
electrodos 1, 2 de la antena. El blindaje de la línea 12 está
conectado a tierra. La distancia D entre los electrodos 1 y 2 va en
función del valor de la alta tensión de la fuente 8. De forma
general, esta distancia D debe ser superior a la distancia de
descarga eléctrica entre los electrodos en el medio ambiente en
ausencia de columna de plasma, y ser inferior a la distancia de
descarga eléctrica entre los electrodos en presencia de la columna
de plasma.
Un láser de cebado 14 se dispone bajo el
electrodo 1, de forma que el eje del haz que produzca se confunda
con el eje 5 al menos justo antes de alcanzar el electrodo 1. Así,
si se desea disponer el láser 14 de forma que su eje de salida sea
horizontal, se dispone entonces un espejo que reenvíe su haz de
salida según el eje 5. Se puede también disponer un espejo
semi-transparente sobre el eje 5 si se desean
utilizar dos láseres. Se pueden utilizar también dos láseres por
ejemplo dedicando uno a las activaciones y el otro para el
mantenimiento de la columna ionizada que forma antena.
Según algunos modos de realización típicos de la
invención, en modo alguno limitativos, los electrodos 1 y 2 son
circulares y tienen un diámetro de algunas decenas de centímetros
a algunos metros, su distancia mutua D es de aproximadamente 50 cm a
1 m, el diámetro de los orificios 3 y 4 es de aproximadamente 1 cm.
La tensión de la fuente 8 es de aproximadamente 10 a 20 kV, y la
potencia proporcionada por el emisor 13 puede estar comprendida
entre algunas centenas de vatios y algunos MW. La potencia media
que proporciona debe ser suficiente para sostener el plasma
producido por la fuente de alta tensión 8.
Primeramente se expondrán con la ayuda del
esquema de la figura 6 y del cronograma de la figura 7 las
diferentes fases sucesivas de la creación de una antena de plasma
con la ayuda del dispositivo de la invención, en el caso de una
activación única del láser 14. Seguidamente, haciendo referencia a
las figuras 2 a 6 y al cronograma de la figura 9, se expondrán las
diferentes etapas de la formación de la antena de plasma en el caso
de dos activaciones del láser 14. Por razones de presentación de
las explicaciones, estas fases se exponen de forma consecutiva,
pero se entiende que en la realidad estas fases pueden ser
simultáneas o casi simultáneas.
Se supone que inicialmente ninguno de los
elementos 8, 13 y 14 está activado. Para ilustrar la cronología de
las diferentes fases, se hará referencia a las marcas temporales T0
a T4 del cronograma de la figura 7.
En el instante T0, se activa la fuente de alta
tensión 8.
En el instante T1, se realiza una activación del
láser 14, focalizado sobre el eje 5, más allá del electrodo 2. Esta
activación produce simultáneamente una descarga entre los
electrodos 1 y 2 (columna de aire ionizada 17 entre estos
electrodos) y la formación de una columna ionizada 18, más fina que
la columna 17, centrada sobre el eje 5.
En el instante T2, se activa el generador 13,
que inyecta potencia en la antena "virtual"; constituida por
las columnas de plasma 17 y 18 y que mantiene la ionización de estas
columnas, pues, como se ha ilustrado en la figura 7, la diferencia
de potencial instantáneo V_{CC} entre los electrodos 1 y 2 es
constante a partir del instante T1 (ver relaciones dadas a
continuación). Se observará que es preciso respetar entre los
instantes T1 y T2 un tiempo mínimo (típicamente del orden de algunas
decenas de nanosegundos) para que la columna de plasma sea bien
establecida entre los electrodos 1 y 2.
La señal proporcionada por el emisor 13 puede
representarse bajo la forma:
V_{CA} = A
cos
(\omegat),
Mientras que la tensión aplicada por la fuente 8
a los electrodos 1 y 2 es de la forma -/+ V_{CC}.
\newpage
Los potenciales instantáneos de los electrodos
1 y 2 son de la forma:
V_{E1} =
V_{CA} -
V_{CC}
V_{E2} =
V_{CA} +
V_{CC}
lo cual hace que exista la misma
diferencia de potencial entre los electrodos 1 y
2.
En régimen de emisión, los electrodos 1 y 2 al
ser llevados al mismo potencial alterno, no se produce desperdicio
de potencia alterna, siendo esta potencia inyectada en casi la
totalidad en la antena de plasma y contribuyendo al mantenimiento
del plasma.
Al final de la emisión (T3), la señal del emisor
13 al suprimirse, la columna ionizada 18 que forma antena
desaparece rápidamente (entre T3 y T4), y por ello mismo la antena
desaparece.
En la figura 8 se ha representado una variante
del dispositivo de las figuras 1 a 6.
En esta figura 8, los mismos elementos que los
de las figuras 1 a 6 están asignados con las mismas referencias
numéricas. En este dispositivo de la figura 8, con el fin de
introducir una asimetría de potencial continuo entre los electrodos
1 y 2, se utiliza en lugar de la resistencia 9 de la figura 1 un
montaje potenciométrico formado por ejemplo por una resistencia fija
19 en serie con una resistencia variable 20, conectándose estas dos
resistencias entre los electrodos 1 y 2, estando su punto común
conectado a tierra. La regulación del potenciómetro así formado
permite una regulación fina de los potenciales aplicados a los
electrodos 1 y 2, con el fin de compensar las pérdidas de corriente
continua absorbida por la antena conductora de plasma. En efecto,
la resistencia de fuga por el lado del electrodo 2 es más baja.
En variante de la invención (ver cronograma de
la figura 9), después de la activación de la fuente de alta tensión
(T0), se realiza una primera activación láser (T1), localizado sobre
el eje 5 entre los dos electrodos, luego una segunda activación
láser T2 focalizado sobre el mismo eje 5, pero más allá del
electrodo 2, luego se activa el generador 13 (T3). La antena plasma
desaparece (T5) poco después del final de la activación del
generador 13 (T4). En detalle las diferentes etapas de este proceso
son las siguientes:
La Figuras 2: después de haber activado la
fuente de alta tensión 8 (T0), el láser 14 es activado (T1) para
realizar un primer "tiro" focalizado sobre el eje 5, entre los
electrodos 1 y 2, con el fin de crear por descarga de alta tensión
una fina columna de plasma conductor 15 entre estos dos
electrodos.
La Figura 3: la activación láser provoca la
descarga de alta tensión 16 en la columna 15 de plasma, entre los
electrodos 1 y 2.
La Figura 4: La descarga 16 tiene por efecto
ensanchar la columna de plasma conductor entre los electrodos 1 y 2,
estando indicada la columna ensanchada por 17. Se apreciará que
después de la creación de la antena de plasma, es posible
cortocircuitar los condensadores 10 y 11, y esto, hasta el final de
la utilización de la antena de plasma. El papel del generador de
alta tensión 8 es entonces mantener la columna ionizada 17 hecha
conductora. Se apreciará que los fenómenos ilustrados en las
figuras 2 a 4 son prácticamente simultáneos, y han sido
descompuestos para facilitar con ello la descripción.
La Figura 5: se realiza una segunda activación
del láser 14 (T2), focalizado sobre el eje 5, más allá del
electrodo 2. Esta segunda activación produce la formación de una
columna de plasma 18 en continuidad de conducción eléctrica con la
columna 17. Dado que el láser 14 es preferentemente del tipo
femtosegundo, la columna 18 se reduce entonces a filamentos de
plasma, como se ha descrito por ejemplo en la indicada patente
francesa FR-2.863.782, y su longitud puede alcanzar
varios kilómetros, lo cual le confiere las características
necesarias para una antena de baja (o muy baja) frecuencia.
La Figura 6: se activa el emisor 13 (T3), que
inyecta potencia, alterna en la antena "virtual"; constituida
por las columnas de plasma 17 y 18 y que mantienen la ionización de
estas columnas, pues, como se ha ilustrado en la figura 9, la
diferencia de potencial instantáneo V_{CC} entre los electrodos 1
y 2 es constante a partir del instante T1 (como se ha explicado
anteriormente con referencia a la figura 7).
En conclusión, gracias al dispositivo de la
invención, aparte de las ventajas inherentes a la antena de plasma
propiamente dicha, el acoplamiento conductivo entre los electrodos y
la antena, se obtiene un rendimiento muy bueno de la transferencia
de potencia entre el generador 13 y la antena (siendo estos
electrodos llevados al mismo potencial alternativo instantáneo,
prácticamente toda la potencia alterna se inyecta en la antena).
Además, este dispositivo es muy económico, ya que solo necesita una
fuente de alta tensión a baja potencia.
Claims (6)
1. Dispositivo de acoplamiento entre una columna
de plasma que hace las veces de antena y un generador eléctrico de
señal de potencia, asociado con un láser (14), caracterizado
porque comprende al menos dos electrodos conductores (1, 2)
perforados cada uno por un orificio (3, 4), siendo estos orificios
coaxiales, estando los electrodos conectados por una parte a una
fuente de alta tensión continua (8) y por otra parte a una fuente de
señal alterna de potencia (13), estando el láser dispuesto de forma
que su haz llegue según el eje (5) de los indicados orificios de los
electrodos.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque el láser es un láser de tipo
femtosegundo.
3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque comprende entre los dos electrodos un
conjunto potenciométrico (19, 20) para asegurar una regulación fina
de los potenciales aplicados a estos electrodos.
4. Procedimiento de utilización de una antena de
plasma que comprende un dispositivo de acoplamiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque comprende las
etapas siguientes: activación de la fuente de alta tensión,
activación del láser, creando un plasma ente los electrodos y más
allá, sobre el eje (5) común de los orificios de los electrodos,
activación del generador de señal de potencia hasta el final del
periodo de emisión.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque entre el instante de la activación láser
y la activación del generador de señal de potencia, se respeta un
tiempo mínimo (Tm) del orden de algunas decenas de nanosegundos.
6. Procedimiento de utilización de una antena de
plasma que comprende un dispositivo de acoplamiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque comprende las
etapas siguientes: activación de la fuente de alta tensión, primera
activación del láser, focalizado entre los electrodos, sobre el eje
(5) de los orificios de los electrodos, segunda activación del
láser, focalizado más allá del segundo electrodo, sobre el mismo eje
común, activación del generador de señal de potencia hasta el final
del periodo de emisión.
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