柱形等离子体天线

1、柱形等离子体天线系统设计梁 志 伟1,2 徐 跃 民1(1.中国科学院空间科学与应用研究中心,北京 100080;2.中国科学院研究生院,北京 100039摘要:基于表面波在等离子体中的传播性质,给出了柱形等离子体天线耦合腔体的结构设计。应用高频仿真软件研究了等离子体天线开启后激励频率在耦合腔体中电磁场分布以及腔体双端口在HF/VHF 频段的S 参数特性,根据仿真结果实现了柱形等离子体天线的系统设计。 关键词:等离子体天线 表面波 仿真中图分类号:TP391.9 文献标识码: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 言等离子体天线具有许多不同于传统金属天线的特性,如对天线的形状、频率、带宽、方向性及增益等的动态重构,特别是等离子体天线的快速开关特性,可以减少天线雷达散射截面,具有隐身效果,因此其具有广阔的军事应用前景1。目前国外对等离子体天线的研究主要是包括天线辐射方向图、效率及噪声等电参数2,而对等离子体天线耦合腔体电磁特性的研究则相对较少。通过研究腔体中电磁场分布,不仅可以确定等离子体天线的表面波模式和宽带匹配模式,还可以通过对腔体结构的优化设

5、计提高等离子体天线的辐射效率。Ansoft 仿真软件应用有限元方法来求解任意三维射频器件的电磁场分布,可直接得到S 参数、辐射场等结果34。因此本文通过该仿真软件对柱形等离子体天线耦合腔体进行仿真设计,计算了在不同状态下腔体内电磁场的变化,为柱形等离子体天线的系统设计以及腔体的结构优化作好铺垫。2 表面波等离子体天线原理对于频率低于等离子体频率的电磁波,等离子体类似于金属,自由空间电磁波会被反射。但此时存在一种表面波模式,电磁波能够沿着等离子体与介质的边界传播,其能量被约束在界面两边很薄的区域内。对于柱形非磁化等离子体,有色散关系5:r 010101I (K (K (I (01010T T a

6、 T a T T a T a +=其中r 为等离子体介电常数,22200=T k k ,2221r 0T k k =,I n 、K n 为n 阶Bessel 函数,k 和k 0分别为等离子体和自由空间中的波矢,a 为柱形等离子体半径。电磁波沿柱形等离子体表面传播时,波矢不再是实常数,而是一个复数的空间分布。通过分析表面波波矢与等离子体频率及碰撞频率变化的关系发现:当等离子体频率变大时,波矢相位系数逐渐接近于真空中波矢大小,衰减系数则减少接近于零;当碰撞频率变大时,虽然衰减系数和相位系数都在增大,但相比而言衰减系数增加幅度非常明显,相位系数增加相对较小。因此当等离子体天线的工作频率远小于等离子体

7、频率时,电磁波在等离子体天线中的传播特性与金属天线类似,所以可以利用等离子体代替传统的金属作为天线的传导媒质。3 等离子体天线耦合腔体仿真实验中等离子体天线由一封闭低气压气体的石英玻璃管构成。玻璃管长 1.2m,直径38mm,工作气体为Ar惰性气体,气压在mTorr量级。尽管有很多表面波激励方式,但由于工作频段较低,本实验采用了射频电容耦合激励。等离子体天线用于通讯系统时,至少需要两路信号:一路用于激励和维持等离子体,另一路则用于收发传输信号。如图1所示为耦合腔体三维结构图,腔体材料为铜,耦合铜套与同轴接头的内导体相连接,激励功率和信号功率分别通过耦合铜套1和2馈入等离子体。由于所用软件限制,

8、当等离子体天线开启后,等离子体天线用相同几何尺寸大小的铜管代替,并且铜管外侧也用石英玻璃绝缘。目前国外主要是通过150MHz射频功率激励形成表面波等离子体,信号则工作在HF/VHF频段。因此在仿真中我们重点研究了等离子体开启前后,点频150MHz电磁波在耦合腔体中的场分布以及耦合腔体双端口在HF/VHF频段的S参数特性。 图1 耦合腔体三维结构图3.1腔体内电磁场分布变化当等离子体天线开启后,激励通道和信号通道之间将产生很强的耦合,因此腔体中的电磁场分布与等离子体天线开启前比较将发生很大的变化。图2为等离子体天线开启前后腔体中150MHz的磁场强度矢量分布变化图。 图2腔体150MHz的磁场矢

9、量分布:(a开启前;(b开启后 由图2可以看出,等离子体天线开启前后腔体中的导波形式发生变化。天线开启前腔体中为TE11导波为主的混合波,而天线开启后则基本变化为TM01导波,满足表面波在等离子体中的传输模式。但是由于同轴馈电的不对称性,在射频接头附近有H z分量出现,这在一定程度上会降低激励功率或信号功率的耦合效率。此外天线开启前激励通道和信号通道之间功率的耦合很小,激励功率基本都集中在下面的腔体。当天线开启后,由于等离子体的强导电性,激励通道和信号通道之间产生较强的耦合,激励通道中相当一部分功率被耦合进入到信号通道,上面的腔体中电磁场幅度明显增大。3.2腔体端口S参数如果将耦合腔体等效为一

10、个双端口网络,等离子体天线开启后激励和信号端口之间S参数也将随之变化。图3为等离子体天线开启前后耦合系数S21仿真值变化曲线。如图3所示,由于等离子体的产生,激励端口和信号端口之间的耦合增强。由于激励功率通常比较大,如果不加保护措施,极易损坏信号通道的接收或发射设备。同时如果信号功率耦合进入激励通道,也会影响到等离子体天线的效率。因此有必要在激励通道和信号通道分别加入不同频带的无耗带通滤波器用于减少两个通道之间的功率耦合。 图3 等离子体开启前后耦合系数S21的仿真值等离子体的产生不仅会改变激励通道和信号通道之间的耦合系数,还会影响到激励和信号端口输入阻抗的变化。图4为等离子体天线开启前后信号

11、端输入阻抗的仿真值变化曲线。如图4所示,天线开启前输入阻抗实部基本为零,虚部为负值,且随频率增加而变大,天线基本上无辐射,信号端口输入阻抗呈现的是耦合电容的阻抗特性;当天线开启后,由于等离子体天线的辐射特性,输入端电流呈现周期性变化,因此输入阻抗具有明显的谐振现象。但由于耦合电容和等离子体鞘层的存在,天线输入电抗仍然是负值。并且由于等离子体天线的输入阻抗受到等离子体参数变化影响明显,因此要求匹配电路的设计必须在确定的等离子体状态下完成。 图4 等离子体开启前后输入阻抗Z22的仿真值4 等离子体天线系统设计根据上面的仿真结果,实验中设计的柱形等离子体天线系统如图5所示。通道1为功率上限200W、

12、输出功率可调的150MHz射频激励源,用于激励和维持等离子体;通道2为信号发射或接收通道,其工作频段为HF/VHF频段。系统中设计了专用的滤波器用于减少两个通道间的功率耦合,其中滤波电路1为中心频率150MHz带通滤波器,滤波电路2为截止频率125MHz的低通滤波器,两滤波电路都满足带内差损小于0.3dB,带外抑制大于30dB。为了使激励功率和信号功率最大限度耦合进等离子体柱,系统中设计了两套不同工作模式的匹配电路1和2。匹配电路1满足不同激励功率条件下,激励通道在固定频点150MHz驻波比都小于2,而匹配电路2则是根据激励功率自适应变化的宽频带匹配电路。实验中根据该等离子体天线系统完成了不同

13、条件下柱形等离子体天线方向图、增益、输入阻抗、噪声等天线参数测试,测试结果与理论计算结果接近。 图 5 柱形等离子体天线系统原理框图5 结束语等离子体天线作为一种新兴的天线类型,具有小型化、宽带和隐身等优点,使其可以与大多数的金属天线相竞争。但是现有的研究表明与金属天线比较,等离子体天线的增益还有待提高,原因之一就是目前的腔体结构设计存在一定问题。由于等离子体天线不对称的馈电方式,因此腔体内的场分布并不完全符合等离子体中表面波的传输模式。此外等离子体的激励频率比较低,不利于在腔体中产生高次TM导波,也会影响等离子体天线的辐射效率。这些问题都有待于在后续工作中作进一步设计改进。本文作者创新点在于

14、:(1分析了不同状态下柱形等离子体天线耦合腔体内激励功率的三维电磁场分布;(2发现目前通用的耦合腔体结构存在缺陷;(3根据仿真结果实现了柱形等离子体天线系统的设计。参考文献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

15、sical Characteristics of Plasma AntennasJ.IEEETransactions on Plasma Science, 2004, 32(1:269-281.3 贾明利,鲍争光,邢明.一种2-DPBG微带在宽带带阻滤波器中的应用研究J.微计算机信息,2005,21(3:136-137.4 魏巍,陈照章.基于Ansoft的新型拖车电磁制动器CAD的研究J. 2005, 21(2:84-85.5 Borg G G,Harris J H.Application of plasma columns to radiofrequency antennasJ. APPLI

16、EDPHYSICS.LETTERS,1999,74(22:3272-3274.作者简介:梁志伟:(1981.4- 男(汉族,江苏盐城人,中国科学院空间科学与应用研究中心博士研究生,研究方向为等离子体天线技术和电磁兼容。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.徐跃民:(1959.10- 男(汉族,上海人,现为中国科学院空间科学与应用研究中心空间等离子体环境效应模拟实验室负责人,硕士生导师。主要研究方向空间等离子体物理。Biog