表面波等離子體天線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳文波

南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001

0 引言

等離子體天線是一種利用等離子體元素取代金屬導(dǎo)體的新型天線。這種天線通常由充滿惰性氣體的絕緣管組成，其底部通過(guò)一個(gè)耦合銅環(huán)套與射頻信號(hào)發(fā)生器相連。當(dāng)天線工作時(shí)，RF信號(hào)源產(chǎn)生的高頻功率將管內(nèi)的氣體電離形成高密度等離子體，因此有接收和發(fā)射電磁波信號(hào)的能力；而當(dāng)天線斷電時(shí)，又成為絕緣體，幾乎不反射電磁波。

等離子體天線的這些特性使它具有傳統(tǒng)天線所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：它是通過(guò)電控制而非機(jī)械控制，因此能夠?qū)崿F(xiàn)輻射方向圖的快速動(dòng)態(tài)重構(gòu)；僅在工作時(shí)才表現(xiàn)出導(dǎo)電性，這使得其被敵方雷達(dá)檢測(cè)到的機(jī)率大大降低；天線的有效長(zhǎng)度可以通過(guò)改變所加的RF信號(hào)功率來(lái)進(jìn)行控制。

本文首先對(duì)表面波驅(qū)動(dòng)等離子體的原理進(jìn)行了說(shuō)明，然后在MOSIAN等人的工作基礎(chǔ)上，提出了一種能同時(shí)對(duì)激勵(lì)信號(hào)及發(fā)射信號(hào)進(jìn)行控制的新型等離子體天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

圖1 等離子體天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

將等離子體柱用作天線必須要有兩個(gè)信號(hào)耦合進(jìn)等離子體柱：用于產(chǎn)生并維持等離子體柱的激勵(lì)信號(hào)及作為天線所發(fā)射的包含信息的信號(hào)。因此等離子體天線主要由充氣的絕緣管、維持等離子體的部件以及信號(hào)激勵(lì)耦合部件這3部分構(gòu)成。

圖1為所建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。上方電路的信號(hào)發(fā)生器提供433MHz的激勵(lì)信號(hào)，并通過(guò)功率放大器放大到能電離氣體的功率電平（該電路中還應(yīng)插入一個(gè)功率表以監(jiān)視輸入功率）。天線通過(guò)一個(gè)三聯(lián)短截線匹配到該網(wǎng)絡(luò)。輸入端口處套一個(gè)金屬環(huán)，以便將激勵(lì)功率耦合到天線中去。227MHz的信號(hào)也用同樣的金屬環(huán)耦合到天線上。該信號(hào)在到達(dá)天線前通過(guò)10W的放大器進(jìn)行放大。利用一個(gè)定向耦合器測(cè)量反射功率。該路饋送網(wǎng)絡(luò)同樣通過(guò)三聯(lián)短線與天線匹配。由于電離氣體所需的功率很高，因此還應(yīng)在電路中加入一個(gè)切口濾波器以阻止該高功率通過(guò)兩端口（饋送端和電離端）的耦合進(jìn)入信號(hào)發(fā)生器。

天線效率是與等離子體天線性能相關(guān)的重要參數(shù)。由于天線輻射場(chǎng)的值是激勵(lì)等離子體饋入功率的函數(shù)，因此上述建立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)同樣可以用來(lái)測(cè)量天線效率。電路中的三聯(lián)短截線可用于調(diào)整不同入射激勵(lì)功率的電平。以使得每個(gè)饋入到等離子體柱中的功率值都為1mW。后監(jiān)視場(chǎng)強(qiáng)并提高激勵(lì)功率，連續(xù)調(diào)整三聯(lián)短線并讀取場(chǎng)值。然后移開該等離子體柱用相同長(zhǎng)度的銅管代替，關(guān)閉激勵(lì)放大器。匹配信號(hào)線傳送1mW的功率到銅管，將達(dá)到的場(chǎng)值作為計(jì)算效率的參考。另外在進(jìn)行此類測(cè)量時(shí)還應(yīng)在電路中加入濾波器——測(cè)量點(diǎn)的433MHz激勵(lì)信號(hào)很強(qiáng)，有可能會(huì)對(duì)示波器所測(cè)得的227MHz信號(hào)產(chǎn)生影響。

作為輻射元的等離子體柱的效率還與等離子體電導(dǎo)率直接相關(guān)。電導(dǎo)率是激勵(lì)功率的函數(shù)，它會(huì)對(duì)天線損耗產(chǎn)生影響——在離激勵(lì)源很遠(yuǎn)的地方，等離子體的密度很低，電導(dǎo)率會(huì)急劇下降。因此，等離子體柱的電導(dǎo)率對(duì)于等離子體天線的有效長(zhǎng)度而言也非常重要。

圖2 電 測(cè)量系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也可以對(duì)等離子體柱的電導(dǎo)率特性進(jìn)行測(cè)量：如圖2所示，將等離子體柱通過(guò)兩孔插入到波導(dǎo)中，波導(dǎo)可以上下移動(dòng)以得到不同位置處輸入值與波導(dǎo)內(nèi)等離子體柱介電常數(shù)（分別為σ和εr）之間的關(guān)系。通過(guò)測(cè)量波導(dǎo)輸入端（在對(duì)端安裝一匹配負(fù)載終端器）的反射系數(shù)并應(yīng)用互易定理，就可以計(jì)算出等離子體柱的電導(dǎo)率。

2 結(jié)論

本文提出了一種能同時(shí)對(duì)激勵(lì)信號(hào)及發(fā)射信號(hào)進(jìn)行控制的新型等離子體天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠方便的測(cè)量等離子體天線的輻射方向圖、天線效率及等離子體電導(dǎo)率等重要參數(shù)，并可與金屬天線的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。這為今后實(shí)現(xiàn)等離子體天線的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

[1]J.P.Rayner, A.P.Whichello, A D.Cheetham,“Physical Characteristics of Plasma Antennas”, IEEE Trans.On Plasma Science，2004，32(1)：269-281.

[2]EN 55011“Limits and methods of measurement of radio disturbance characteristics of industrial,scientific and medical(ISM)radio frequency equipment.

[3]R.R.Collin“Foundations for microwave engineering”McGraw-Hill Ed，1992.