柱形等離子體天線(xiàn)

1、柱形等離子體天線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)梁 志 偉1,2 徐 躍 民1(1.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心,北京 100080;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100039摘要:基于表面波在等離子體中的傳播性質(zhì),給出了柱形等離子體天線(xiàn)耦合腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。應(yīng)用高頻仿真軟件研究了等離子體天線(xiàn)開(kāi)啟后激勵(lì)頻率在耦合腔體中電磁場(chǎng)分布以及腔體雙端口在HF/VHF 頻段的S 參數(shù)特性,根據(jù)仿真結(jié)果實(shí)現(xiàn)了柱形等離子體天線(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞:等離子體天線(xiàn) 表面波 仿真中圖分類(lèi)號(hào):TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADesign of a plasma-column antenna systemLIANG Zhi-wei 1.2 X

2、U Yue-min 1(1. Center for Space Science and Applied Research ,The Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080,China ;2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100039,ChinaAbstract: The coupling structure of plasma column antenna was presented based on the propagation characterist

3、ics of surface wave in plasma.The electromagnetic field distribution of excitation frequcncy and the S-parameters of dual ports inside the structure were evaluated by High Frequency Simulator when the plasma antenna was switched on.Then the design of plasma-column antenna system is realized accordin

4、g to the simulation results.Key words:Plasma Antenna,Surface Wave,Simulation1 引 言等離子體天線(xiàn)具有許多不同于傳統(tǒng)金屬天線(xiàn)的特性,如對(duì)天線(xiàn)的形狀、頻率、帶寬、方向性及增益等的動(dòng)態(tài)重構(gòu),特別是等離子體天線(xiàn)的快速開(kāi)關(guān)特性,可以減少天線(xiàn)雷達(dá)散射截面,具有隱身效果,因此其具有廣闊的軍事應(yīng)用前景1。目前國(guó)外對(duì)等離子體天線(xiàn)的研究主要是包括天線(xiàn)輻射方向圖、效率及噪聲等電參數(shù)2,而對(duì)等離子體天線(xiàn)耦合腔體電磁特性的研究則相對(duì)較少。通過(guò)研究腔體中電磁場(chǎng)分布,不僅可以確定等離子體天線(xiàn)的表面波模式和寬帶匹配模式,還可以通過(guò)對(duì)腔體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)

5、計(jì)提高等離子體天線(xiàn)的輻射效率。Ansoft 仿真軟件應(yīng)用有限元方法來(lái)求解任意三維射頻器件的電磁場(chǎng)分布,可直接得到S 參數(shù)、輻射場(chǎng)等結(jié)果34。因此本文通過(guò)該仿真軟件對(duì)柱形等離子體天線(xiàn)耦合腔體進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),計(jì)算了在不同狀態(tài)下腔體內(nèi)電磁場(chǎng)的變化,為柱形等離子體天線(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及腔體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化作好鋪墊。2 表面波等離子體天線(xiàn)原理對(duì)于頻率低于等離子體頻率的電磁波,等離子體類(lèi)似于金屬,自由空間電磁波會(huì)被反射。但此時(shí)存在一種表面波模式,電磁波能夠沿著等離子體與介質(zhì)的邊界傳播,其能量被約束在界面兩邊很薄的區(qū)域內(nèi)。對(duì)于柱形非磁化等離子體,有色散關(guān)系5:r 010101I (K (K (I (01010T T a

6、 T a T T a T a +=其中r 為等離子體介電常數(shù),22200=T k k ,2221r 0T k k =,I n 、K n 為n 階Bessel 函數(shù),k 和k 0分別為等離子體和自由空間中的波矢,a 為柱形等離子體半徑。電磁波沿柱形等離子體表面?zhèn)鞑r(shí),波矢不再是實(shí)常數(shù),而是一個(gè)復(fù)數(shù)的空間分布。通過(guò)分析表面波波矢與等離子體頻率及碰撞頻率變化的關(guān)系發(fā)現(xiàn):當(dāng)?shù)入x子體頻率變大時(shí),波矢相位系數(shù)逐漸接近于真空中波矢大小,衰減系數(shù)則減少接近于零;當(dāng)碰撞頻率變大時(shí),雖然衰減系數(shù)和相位系數(shù)都在增大,但相比而言衰減系數(shù)增加幅度非常明顯,相位系數(shù)增加相對(duì)較小。因此當(dāng)?shù)入x子體天線(xiàn)的工作頻率遠(yuǎn)小于等離子體

7、頻率時(shí),電磁波在等離子體天線(xiàn)中的傳播特性與金屬天線(xiàn)類(lèi)似,所以可以利用等離子體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬作為天線(xiàn)的傳導(dǎo)媒質(zhì)。3 等離子體天線(xiàn)耦合腔體仿真實(shí)驗(yàn)中等離子體天線(xiàn)由一封閉低氣壓氣體的石英玻璃管構(gòu)成。玻璃管長(zhǎng) 1.2m,直徑38mm,工作氣體為Ar惰性氣體,氣壓在mTorr量級(jí)。盡管有很多表面波激勵(lì)方式,但由于工作頻段較低,本實(shí)驗(yàn)采用了射頻電容耦合激勵(lì)。等離子體天線(xiàn)用于通訊系統(tǒng)時(shí),至少需要兩路信號(hào):一路用于激勵(lì)和維持等離子體,另一路則用于收發(fā)傳輸信號(hào)。如圖1所示為耦合腔體三維結(jié)構(gòu)圖,腔體材料為銅,耦合銅套與同軸接頭的內(nèi)導(dǎo)體相連接,激勵(lì)功率和信號(hào)功率分別通過(guò)耦合銅套1和2饋入等離子體。由于所用軟件限制,

8、當(dāng)?shù)入x子體天線(xiàn)開(kāi)啟后,等離子體天線(xiàn)用相同幾何尺寸大小的銅管代替,并且銅管外側(cè)也用石英玻璃絕緣。目前國(guó)外主要是通過(guò)150MHz射頻功率激勵(lì)形成表面波等離子體,信號(hào)則工作在HF/VHF頻段。因此在仿真中我們重點(diǎn)研究了等離子體開(kāi)啟前后,點(diǎn)頻150MHz電磁波在耦合腔體中的場(chǎng)分布以及耦合腔體雙端口在HF/VHF頻段的S參數(shù)特性。 圖1 耦合腔體三維結(jié)構(gòu)圖3.1腔體內(nèi)電磁場(chǎng)分布變化當(dāng)?shù)入x子體天線(xiàn)開(kāi)啟后,激勵(lì)通道和信號(hào)通道之間將產(chǎn)生很強(qiáng)的耦合,因此腔體中的電磁場(chǎng)分布與等離子體天線(xiàn)開(kāi)啟前比較將發(fā)生很大的變化。圖2為等離子體天線(xiàn)開(kāi)啟前后腔體中150MHz的磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量分布變化圖。 圖2腔體150MHz的磁場(chǎng)矢

9、量分布:(a開(kāi)啟前;(b開(kāi)啟后 由圖2可以看出,等離子體天線(xiàn)開(kāi)啟前后腔體中的導(dǎo)波形式發(fā)生變化。天線(xiàn)開(kāi)啟前腔體中為T(mén)E11導(dǎo)波為主的混合波,而天線(xiàn)開(kāi)啟后則基本變化為T(mén)M01導(dǎo)波,滿(mǎn)足表面波在等離子體中的傳輸模式。但是由于同軸饋電的不對(duì)稱(chēng)性,在射頻接頭附近有H z分量出現(xiàn),這在一定程度上會(huì)降低激勵(lì)功率或信號(hào)功率的耦合效率。此外天線(xiàn)開(kāi)啟前激勵(lì)通道和信號(hào)通道之間功率的耦合很小,激勵(lì)功率基本都集中在下面的腔體。當(dāng)天線(xiàn)開(kāi)啟后,由于等離子體的強(qiáng)導(dǎo)電性,激勵(lì)通道和信號(hào)通道之間產(chǎn)生較強(qiáng)的耦合,激勵(lì)通道中相當(dāng)一部分功率被耦合進(jìn)入到信號(hào)通道,上面的腔體中電磁場(chǎng)幅度明顯增大。3.2腔體端口S參數(shù)如果將耦合腔體等效為一

10、個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò),等離子體天線(xiàn)開(kāi)啟后激勵(lì)和信號(hào)端口之間S參數(shù)也將隨之變化。圖3為等離子體天線(xiàn)開(kāi)啟前后耦合系數(shù)S21仿真值變化曲線(xiàn)。如圖3所示,由于等離子體的產(chǎn)生,激勵(lì)端口和信號(hào)端口之間的耦合增強(qiáng)。由于激勵(lì)功率通常比較大,如果不加保護(hù)措施,極易損壞信號(hào)通道的接收或發(fā)射設(shè)備。同時(shí)如果信號(hào)功率耦合進(jìn)入激勵(lì)通道,也會(huì)影響到等離子體天線(xiàn)的效率。因此有必要在激勵(lì)通道和信號(hào)通道分別加入不同頻帶的無(wú)耗帶通濾波器用于減少兩個(gè)通道之間的功率耦合。 圖3 等離子體開(kāi)啟前后耦合系數(shù)S21的仿真值等離子體的產(chǎn)生不僅會(huì)改變激勵(lì)通道和信號(hào)通道之間的耦合系數(shù),還會(huì)影響到激勵(lì)和信號(hào)端口輸入阻抗的變化。圖4為等離子體天線(xiàn)開(kāi)啟前后信號(hào)

11、端輸入阻抗的仿真值變化曲線(xiàn)。如圖4所示,天線(xiàn)開(kāi)啟前輸入阻抗實(shí)部基本為零,虛部為負(fù)值,且隨頻率增加而變大,天線(xiàn)基本上無(wú)輻射,信號(hào)端口輸入阻抗呈現(xiàn)的是耦合電容的阻抗特性;當(dāng)天線(xiàn)開(kāi)啟后,由于等離子體天線(xiàn)的輻射特性,輸入端電流呈現(xiàn)周期性變化,因此輸入阻抗具有明顯的諧振現(xiàn)象。但由于耦合電容和等離子體鞘層的存在,天線(xiàn)輸入電抗仍然是負(fù)值。并且由于等離子體天線(xiàn)的輸入阻抗受到等離子體參數(shù)變化影響明顯,因此要求匹配電路的設(shè)計(jì)必須在確定的等離子體狀態(tài)下完成。 圖4 等離子體開(kāi)啟前后輸入阻抗Z22的仿真值4 等離子體天線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)上面的仿真結(jié)果,實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的柱形等離子體天線(xiàn)系統(tǒng)如圖5所示。通道1為功率上限200W、

12、輸出功率可調(diào)的150MHz射頻激勵(lì)源,用于激勵(lì)和維持等離子體;通道2為信號(hào)發(fā)射或接收通道,其工作頻段為HF/VHF頻段。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的濾波器用于減少兩個(gè)通道間的功率耦合,其中濾波電路1為中心頻率150MHz帶通濾波器,濾波電路2為截止頻率125MHz的低通濾波器,兩濾波電路都滿(mǎn)足帶內(nèi)差損小于0.3dB,帶外抑制大于30dB。為了使激勵(lì)功率和信號(hào)功率最大限度耦合進(jìn)等離子體柱,系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩套不同工作模式的匹配電路1和2。匹配電路1滿(mǎn)足不同激勵(lì)功率條件下,激勵(lì)通道在固定頻點(diǎn)150MHz駐波比都小于2,而匹配電路2則是根據(jù)激勵(lì)功率自適應(yīng)變化的寬頻帶匹配電路。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)該等離子體天線(xiàn)系統(tǒng)完成了不同

13、條件下柱形等離子體天線(xiàn)方向圖、增益、輸入阻抗、噪聲等天線(xiàn)參數(shù)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果接近。 圖 5 柱形等離子體天線(xiàn)系統(tǒng)原理框圖5 結(jié)束語(yǔ)等離子體天線(xiàn)作為一種新興的天線(xiàn)類(lèi)型,具有小型化、寬帶和隱身等優(yōu)點(diǎn),使其可以與大多數(shù)的金屬天線(xiàn)相競(jìng)爭(zhēng)。但是現(xiàn)有的研究表明與金屬天線(xiàn)比較,等離子體天線(xiàn)的增益還有待提高,原因之一就是目前的腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定問(wèn)題。由于等離子體天線(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的饋電方式,因此腔體內(nèi)的場(chǎng)分布并不完全符合等離子體中表面波的傳輸模式。此外等離子體的激勵(lì)頻率比較低,不利于在腔體中產(chǎn)生高次TM導(dǎo)波,也會(huì)影響等離子體天線(xiàn)的輻射效率。這些問(wèn)題都有待于在后續(xù)工作中作進(jìn)一步設(shè)計(jì)改進(jìn)。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于

14、:(1分析了不同狀態(tài)下柱形等離子體天線(xiàn)耦合腔體內(nèi)激勵(lì)功率的三維電磁場(chǎng)分布;(2發(fā)現(xiàn)目前通用的耦合腔體結(jié)構(gòu)存在缺陷;(3根據(jù)仿真結(jié)果實(shí)現(xiàn)了柱形等離子體天線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1 Alexeff I,Anderson T,Parameswaran S,Pradeep E P.Experimental and Theoretical Results With PlasmaAntennasJ. IEEE Tra-nsactions on Plasma Science, 2006,34(2:166-172.2 J P Rayner, A P Whichello and A D Cheetham. Phy

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16、EDPHYSICS.LETTERS,1999,74(22:3272-3274.作者簡(jiǎn)介:梁志偉:(1981.4- 男(漢族,江蘇鹽城人,中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心博士研究生,研究方向?yàn)榈入x子體天線(xiàn)技術(shù)和電磁兼容。Biography:Liang Zhi-wei(1981-,male(han,Jiangsu Province, Center for Space Science and Applied Research, Chinese academy of science, Ph.D, maj-or research in plasma antenna and EMC/EMI.徐躍民:(1959.10- 男(漢族,上海人,現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心空間等離子體環(huán)境效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人,碩士生導(dǎo)師。主要研究方向空間等離子體物理。Biog