等離子體天線技術(shù)原理分析

黃方意，林志丹，王 超

（電子工程學(xué)院，合肥 230037）

0 引 言

等離子體天線是20世紀(jì)90年代中期由美國(guó)Tennessee大學(xué)物理學(xué)家Theodore R.Anderson教授提出的，當(dāng)時(shí)受美國(guó)海軍委托研究如何解決潛艇的水下通信問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)等離子體天線進(jìn)行了較多的研究［1-8］。

在國(guó)外，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室（NRL）研究了幾種等離子體天線，包括X波段的艦載天線、94GHz的機(jī)載天線和60GHz的空基天線，其主要原理是用等離子體平面作為反射面，用磁場(chǎng)和電極控制不同等離子體片的激發(fā)，不同等離子體片組成的平面確定了不同的掃描射束方向［9］。澳大利亞國(guó)立大學(xué)研制成一種單極表面波驅(qū)動(dòng)的等離子體隱身天線。該天線的特點(diǎn)是：需要配置1個(gè)激勵(lì)器，用射頻波激發(fā)等離子體。不足之處在于射頻波會(huì)干擾電磁波信號(hào)［10］。

1 等離子體天線類型

目前對(duì)等離子體天線的研究主要分為3個(gè)方向：等離子體介質(zhì)天線、等離子體反射面天線和等離子體智能天線。

1.1 等離子體介質(zhì)天線

等離子體介質(zhì)天線是將等離子體發(fā)生器放電管作為天線元件。通電時(shí)，管內(nèi)的惰性氣體電離并成為導(dǎo)體，可以發(fā)射和接收無(wú)線電信號(hào)。斷電時(shí)，成為絕緣體，不會(huì)反射電磁波。等離子體介質(zhì)天線為有源輻射器，主要應(yīng)用于短波／超短波通信。圖1為等離子體介質(zhì)天線中的U型天線和鞭狀天線。

圖1 等離子體介質(zhì)天線

1.1.1 等離子體介質(zhì)天線的原理

等離子體之所以能代替金屬導(dǎo)體作為天線元件，是因?yàn)槠湮锢硖匦灾械慕饘傩?。假設(shè)其介電常數(shù)為εr（ω）［11］，則：

對(duì)徑向均勻分布的等離子體柱，沿其表面?zhèn)鞑ル姶挪ǖ牟ㄊ缚杀硎緸椋?/p>

等離子體天線必須在密度較高并且頻率高于天線工作頻率的條件下，才能傳導(dǎo)和發(fā)射電磁波。因此要求等離子體表面波波矢k的虛部Im（k）較小，即電磁波傳播衰減較小；而實(shí)部Re（k）則接近自由空間中波矢k0，這與金屬的電磁波傳播性質(zhì)相似，因此可以代替金屬作為天線傳導(dǎo)媒質(zhì)。

1.1.2 等離子體介質(zhì)天線的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)金屬天線不同的是等離子體的物理特性隨著電子密度等參數(shù)的變化而改變，因此等離子體介質(zhì)天線具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)［12-16］：

（1）雷達(dá)隱身性。由等離子體與電磁波的相互作用可知，對(duì)于頻率高于等離子體頻率的雷達(dá)波信號(hào)，等離子體對(duì)波的透射、吸收、折射效應(yīng)使雷達(dá)回波信號(hào)大大衰減；對(duì)于頻率低于等離子體頻率的雷達(dá)波，等離子體對(duì)其的散射作用也使雷達(dá)回波衰減；在天線不工作的情況下，等離子體淬滅，完全對(duì)雷達(dá)隱身。

（2）可重構(gòu)性。等離子體作為天線傳導(dǎo)介質(zhì)，其物理特性是可以改變的。例如改變等離子體激勵(lì)方式和功率、改變等離子體電子密度等，都會(huì)使天線的輻射方向圖、輻射效率發(fā)生改變。因此相對(duì)于固定的金屬天線，等離子體天線具有極好的可重構(gòu)性。

（3）低互耦性。在多個(gè)天線的工作環(huán)境中，等離子體天線在不工作時(shí)，只是充有氣體的介質(zhì)管，對(duì)周邊正在工作的天線幾乎沒有影響，而金屬天線在不工作時(shí)，仍然會(huì)干擾到其他天線。

1.2 等離子體反射面天線

利用等離子體的電磁波反射特性，等離子體可用于設(shè)計(jì)反射面天線，如同通常意義上利用金屬構(gòu)成的反射面天線。等離子體反射面天線為無(wú)源反射器，主要應(yīng)用于大功率超寬帶脈沖雷達(dá)。圖2和圖3分別是等離子體反射面天線和金屬反射面天線的實(shí)物圖。

1.2.1 等離子體反射面天線的原理

（1）ω＞ωpe：n為小于1的正實(shí)數(shù)，電磁波可在等離子體中傳播，并且其相速度大于光速；

圖2 等離子體反射面天線

圖3 金屬反射面天線

（2）ω≤ωpe：n為純虛數(shù)，電磁波無(wú)法在等離子體中傳播，會(huì)被其反射。因此，定義fc為電磁波的截止頻率，它滿足：

此時(shí)的Ne也可以稱為頻率fc電磁波的截止密度，當(dāng)?shù)入x子體密度大于電磁波的截止密度時(shí)就能對(duì)電磁波進(jìn)行全反射。

1.2.2 等離子體反射面天線的優(yōu)點(diǎn)

等離子體反射面天線是一種利用等離子體作為反射介質(zhì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)可替代相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)功能的天線系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)如下［17-20］：

（1）雷達(dá)隱身性能。金屬作為反射面時(shí)，整個(gè)天線系統(tǒng)的雷達(dá)橫截面積（RCS）較大，易被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)。而采用等離子體作為反射面，只要停止氣體放電，整個(gè)反射面變成充有氣體的介質(zhì)腔體，使雷達(dá)波直接穿過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)天線的隱身功能。停止放電的過(guò)程非常短，即納秒級(jí)至百微秒級(jí)。

（2）快速重構(gòu)特性。傳統(tǒng)的金屬反射面天線的工作方式是機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)空間掃描。由于機(jī)械掃描速度的局限性限制了掃描速度，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代通信的發(fā)展要求。而在等離子體反射面天線系統(tǒng)中，等離子體反射面是由眾多的小等離子體片組成，可以通過(guò)快速改變放電狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)天線快速重構(gòu)。眾多等離子體片構(gòu)成眾多的反射面單元，通過(guò)陰極放電控制不同等離子體片的激發(fā)和淬滅，被激發(fā)的等離子體片將組成一個(gè)整體的反射面。又由于等離子體片激發(fā)過(guò)程的時(shí)間量少于秒量級(jí)，等離子體反射面天線的掃描方向可以快速重構(gòu)。

1.3 等離子體智能天線

在通信系統(tǒng)中，智能天線是指一種具有測(cè)向和波束形成能力的天線陣列，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)期望用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，從而達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)，并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的［21］。

在利用等離子體設(shè)計(jì)天線時(shí)，為了達(dá)到定向和約束波束的作用，可以采用等離子體陣列結(jié)構(gòu)來(lái)控制天線電磁波的方向。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 等離子體智能天線結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的中心是一個(gè)全向天線，中心天線的四周被很多根等離子體柱所包圍，在等離子體頻率大于天線頻率的條件下，利用等離子體柱中等離子體的激發(fā)和淬滅來(lái)控制天線系統(tǒng)的輻射方向，以達(dá)到定向和約束波束的作用。圖5所示為智能天線多方向定向輻射時(shí)的波瓣圖。

圖5 等離子體智能天線的多波束方向圖

2 結(jié)束語(yǔ)

隨著對(duì)等離子體與電磁波之間相互作用的深入研究，等離子體在天線領(lǐng)域的應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛。等離子體獨(dú)特的物理特性將使等離子體天線擁有更加廣闊的前景。雖然等離子體天線使天線系統(tǒng)的隱身性和可重構(gòu)性得到極大提高，但是仍有很多不足需要去探索和解決，比如等離子天線的效率、增益有待提高，在系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面也有待加強(qiáng)。

［1］ Norris E，Anderson T，Alexeff I.Reconfigurable plasma antenna［P］.Patent：6369769，2002.

［2］ Borg G G，Harris J H，Miljak D G，et al.Application of plasma columns to radio frequency antennas［J］.Application Physics Letter，1999，74（5）：3272-3274.

［3］ Borg G G，Harris J H，Martin N M，et al.Plasmas as antennas：theory，experiment and applications［J］.Physics Plasmas，2000，7（7）：2198-2202.

［4］ Dwyer T J，Greig J R，Murphy D P，et al.On the feasibility of using an atmospheric dischargeplasma as an RF antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas Propagation，1984，32（2）：141-146.

［5］ Fathy A E，Rosen A，Owen H S，et al.Silicon-based reconfigurable antennas——concepts，analysis，implementation，and feasibility［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory Technology，2003，51（6）：1650-1661.

［6］ Burykin Y I，Levitskiy S M，Martynen-KO V G.Establishing highly conductivepath in gasby thermal guidance of discharge［J］.Radio Engineering Electron Physics，1975（20）：86-90.

［7］ MoisanM ，Shivarova A，Trivelpiece A W .Experimental investigations of the propagation Ofsurface waves along a plasma column［J］.Plasma Physics，1982，24（11）：1331-1400.

［8］ Rayner J P，Whichello A P，Cheeithama D.Physical characteristics of plasma antennas［J］.IEEE Ttansactions on Plasma Seience，2004，32（1）：269-281.

［9］ 于爽，曹立輝，陳金來(lái)，等.離子體天線研究概況及發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2009（S0）：37-39.

［10］Borg G G，Kamenski I V，Harris J H，Miljak D G，Martin NM.Plasma antennas［EB／OL］.Australian National University web page：Http：／／www：rsphysse.anu.edu.au／～ggb112／docs／radio＿club.html，2003-06-18.

［11］黃雪峰，陳斌，汪家友，等.離子體天線的原理及其構(gòu)成［J］.電子科技，2008，21（5）：33-36.

［12］徐家鸞，金尚憲.等離子體物理學(xué)［M］.北京：原子能出版社，1981.

［13］程芝峰，徐躍民，梁超，丁亮，鑒福升，朱翔.大面積等離子體片微波反射特性研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（2）：302-306.

［14］Borg G G，Harris J H，Milak D G，Andruczik D，Martin N M.Plasma as radiations elemen submitted to the antenn［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，1991，19（4）：733-741.

［15］Kang W L，Rader M，Alexeff I.A microwave plasma closing switch and stealth plasma antenn［A］.IEEE International Conferrence on Plasma Science［C］，1995：141-156.

［16］Kang W L，Rader M，Alexeff I.A conceptual study of stealth plasma antenna［A］.IEEE Internation Conferrence on Plasma Science［C］，1996：261-273.

［17］Alexeff I，Kang W L，Rader M，Douglass C，Kintner D，Ogot R，Norris E.A plasma stealantenna for the US navy［A］.IEEE International Conferrence on Plasma Science［C］，1998：277-286.

［18］Vidmar R J.On the use of atmospheric pressure plasmas as electromagnetic reflectors and absorbers［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，1990，18（4）：733-741.

［19］Robson A，Morgan R，Meger R.Demon-stration of a plasma mirror for microwaves ［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，1992，20（6）：1036-1040.

［20］余道杰，牛忠霞，楊建宏，等.等離子體有源透鏡天線的特性分析［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2004，16（7）：923-926.

［21］高艷華，張廣求.智能天線技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.制導(dǎo)與引信，2004，25（2）：42-46.