柱形等離子體天線

1、柱形等離子體天線系統(tǒng)設計梁 志 偉1,2 徐 躍 民1(1.中國科學院空間科學與應用研究中心,北京 100080;2.中國科學院研究生院,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耦合腔體的結構設計。應用高頻仿真軟件研究了等離子體天線開啟后激勵頻率在耦合腔體中電磁場分布以及腔體雙端口在HF/VHF 頻段的S 參數(shù)特性,根據(jù)仿真結果實現(xiàn)了柱形等離子體天線的系統(tǒng)設計。 關鍵詞:等離子體天線 表面波 仿真中圖分類號:TP391.9 文獻標識碼: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 言等離子體天線具有許多不同于傳統(tǒng)金屬天線的特性,如對天線的形狀、頻率、帶寬、方向性及增益等的動態(tài)重構,特別是等離子體天線的快速開關特性,可以減少天線雷達散射截面,具有隱身效果,因此其具有廣闊的軍事應用前景1。目前國外對等離子體天線的研究主要是包括天線輻射方向圖、效率及噪聲等電參數(shù)2,而對等離子體天線耦合腔體電磁特性的研究則相對較少。通過研究腔體中電磁場分布,不僅可以確定等離子體天線的表面波模式和寬帶匹配模式,還可以通過對腔體結構的優(yōu)化設

5、計提高等離子體天線的輻射效率。Ansoft 仿真軟件應用有限元方法來求解任意三維射頻器件的電磁場分布,可直接得到S 參數(shù)、輻射場等結果34。因此本文通過該仿真軟件對柱形等離子體天線耦合腔體進行仿真設計,計算了在不同狀態(tài)下腔體內(nèi)電磁場的變化,為柱形等離子體天線的系統(tǒng)設計以及腔體的結構優(yōu)化作好鋪墊。2 表面波等離子體天線原理對于頻率低于等離子體頻率的電磁波,等離子體類似于金屬,自由空間電磁波會被反射。但此時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)。對于柱形非磁化等離子體,有色散關系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,波矢不再是實常數(shù),而是一個復數(shù)的空間分布。通過分析表面波波矢與等離子體頻率及碰撞頻率變化的關系發(fā)現(xiàn):當?shù)入x子體頻率變大時,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;當碰撞頻率變大時,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)增加相對較小。因此當?shù)入x子體天線的工作頻率遠小于等離子體

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

8、當?shù)入x子體天線開啟后,等離子體天線用相同幾何尺寸大小的銅管代替,并且銅管外側也用石英玻璃絕緣。目前國外主要是通過150MHz射頻功率激勵形成表面波等離子體,信號則工作在HF/VHF頻段。因此在仿真中我們重點研究了等離子體開啟前后,點頻150MHz電磁波在耦合腔體中的場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 耦合腔體三維結構圖3.1腔體內(nèi)電磁場分布變化當?shù)入x子體天線開啟后,激勵通道和信號通道之間將產(chǎn)生很強的耦合,因此腔體中的電磁場分布與等離子體天線開啟前比較將發(fā)生很大的變化。圖2為等離子體天線開啟前后腔體中150MHz的磁場強度矢量分布變化圖。 圖2腔體150MHz的磁場矢

9、量分布:(a開啟前;(b開啟后 由圖2可以看出,等離子體天線開啟前后腔體中的導波形式發(fā)生變化。天線開啟前腔體中為TE11導波為主的混合波,而天線開啟后則基本變化為TM01導波,滿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稱性,在射頻接頭附近有H z分量出現(xiàn),這在一定程度上會降低激勵功率或信號功率的耦合效率。此外天線開啟前激勵通道和信號通道之間功率的耦合很小,激勵功率基本都集中在下面的腔體。當天線開啟后,由于等離子體的強導電性,激勵通道和信號通道之間產(chǎn)生較強的耦合,激勵通道中相當一部分功率被耦合進入到信號通道,上面的腔體中電磁場幅度明顯增大。3.2腔體端口S參數(shù)如果將耦合腔體等效為一

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

11、端輸入阻抗的仿真值變化曲線。如圖4所示,天線開啟前輸入阻抗實部基本為零,虛部為負值,且隨頻率增加而變大,天線基本上無輻射,信號端口輸入阻抗呈現(xiàn)的是耦合電容的阻抗特性;當天線開啟后,由于等離子體天線的輻射特性,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,天線輸入電抗仍然是負值。并且由于等離子體天線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計必須在確定的等離子體狀態(tài)下完成。 圖4 等離子體開啟前后輸入阻抗Z22的仿真值4 等離子體天線系統(tǒng)設計根據(jù)上面的仿真結果,實驗中設計的柱形等離子體天線系統(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射頻激勵源,用于激勵和維持等離子體;通道2為信號發(fā)射或接收通道,其工作頻段為HF/VHF頻段。系統(tǒng)中設計了專用的濾波器用于減少兩個通道間的功率耦合,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,兩濾波電路都滿足帶內(nèi)差損小于0.3dB,帶外抑制大于30dB。為了使激勵功率和信號功率最大限度耦合進等離子體柱,系統(tǒng)中設計了兩套不同工作模式的匹配電路1和2。匹配電路1滿足不同激勵功率條件下,激勵通道在固定頻點150MHz駐波比都小于2,而匹配電路2則是根據(jù)激勵功率自適應變化的寬頻帶匹配電路。實驗中根據(jù)該等離子體天線系統(tǒng)完成了不同

13、條件下柱形等離子體天線方向圖、增益、輸入阻抗、噪聲等天線參數(shù)測試,測試結果與理論計算結果接近。 圖 5 柱形等離子體天線系統(tǒng)原理框圖5 結束語等離子體天線作為一種新興的天線類型,具有小型化、寬帶和隱身等優(yōu)點,使其可以與大多數(shù)的金屬天線相競爭。但是現(xiàn)有的研究表明與金屬天線比較,等離子體天線的增益還有待提高,原因之一就是目前的腔體結構設計存在一定問題。由于等離子體天線不對稱的饋電方式,因此腔體內(nèi)的場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頻率比較低,不利于在腔體中產(chǎn)生高次TM導波,也會影響等離子體天線的輻射效率。這些問題都有待于在后續(xù)工作中作進一步設計改進。本文作者創(chuàng)新點在于

14、:(1分析了不同狀態(tài)下柱形等離子體天線耦合腔體內(nèi)激勵功率的三維電磁場分布;(2發(fā)現(xiàn)目前通用的耦合腔體結構存在缺陷;(3根據(jù)仿真結果實現(xiàn)了柱形等離子體天線系統(tǒng)的設計。參考文獻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.作者簡介:梁志偉:(1981.4- 男(漢族,江蘇鹽城人,中國科學院空間科學與應用研究中心博士研究生,研究方向為等離子體天線技術和電磁兼容。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)為中國科學院空間科學與應用研究中心空間等離子體環(huán)境效應模擬實驗室負責人,碩士生導師。主要研究方向空間等離子體物理。Biog