等离子体天线研究与应用进展

摘 要:等离子体天线的可重构、雷达隐身和低互耦等特性使它在军事和商业通信领域有广阔的应用前景。在深入阐述等离子体天线的基本原理和构造形式的基础上,从理论分析、物理实验和计算电磁学仿真三个方面对国内外等离子体天线的研究和应用情况进行细致介绍,并且指出了未来的研究重点和方向。通过对三个方面研究进展的综述,可以为将来等离子体天线的深入研究提供有益参考。

关键词:等离子体天线;可重构天线;雷达隐身性;低互耦性

中图分类号:TN827文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)05-066-04

Research and Application Progress of Plasma Antenna

LI Xueshi1,HU Binjie1,LI Hanyu2,ZHOU Haijing2

(1.School of Electronic and Information Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,510640,China;

2.Chinese Academy of Engineering Physics,Beijing,100094,China)

Abstract:The characteristics of radiation reconfigurability,radar stealth and low mutual coupling of plasma antenna bring prospects for military and commercial communication.The configuration of plasma antenna and its radiation mechanism are thoroughly elaborated.Three aspects of the research on plasma antenna,which are electromagnetic theory,physical experiment and computational electromagnetic simulation are introduced in detail.The research trend is also looked ahead.The review of research progress of the three aspects provides helpful reference for the further investigation on plasma antenna.

Keywords:plasma antenna;reconfigurable antennas;radar stealth;low mutual coupling

0 引 言

等离子体天线是采用等离子体代替普通金属传导和辐射电磁波的天线。等离子体是由带电粒子组成的整体,它是呈准中性、有集约效应的非束缚态体系,通常包含电子离子和中性粒子。高密度等离子体具有良好的导电性能,类似金属导体。在等离子体天线应用中,电磁波以表面波的形式沿着等离子体表面传播并且发射到空间中。等离子体天线的优点是辐射性能可控、可对雷达隐身等。此外,采用等离子体天线构成的阵列还具有方向图可重构和低互耦的特性。

在商用上,采用等离子体天线的通信设备可以更好地控制天线的辐射特性。由于采用等离子体作为天线材料,等离子体的密度、碰撞频率等参数都可以动态进行调整。这样可以使天线阻抗、带宽、方向图、辐射功率在较宽范围内动态改变。相比普通相控天线阵,等离子天线阵列不用活动部件就能高速地进行辐射方向图扫描。

在军事上,等离子体天线可以提高军事设施的雷达隐蔽性能。因为采用等离子体材料传导和辐射电磁信号,所以可以在需要的时候才激发产生等离子体,发射军事通信信号;其余时间不激发等离子体,此时等离子体相当于一般惰性气体,不会吸收或散射雷达信号,从而实现对雷达隐身。

1 等离子体天线的基本原理

构成等离子体天线的等离子体材料,其介电常数等效为式(1):

εr(ω)=ε01+ω2pω(jvc-ω)〗

(1)

式中:ωp=e2Nmε0,是等离子体频率;vc是电子碰撞频率;ω是工作频率;N是电子密度;e是电子电荷量;m是电子质量;ωp和vc由等离子体的密度、气压和温度等物理参数确定。

对径向均匀分布的等离子体柱,沿其表面传播电磁波的波矢由式(2)表示[1]:

εrT0I1(Tp•r)K0(T0•r)+TpK1(T0•r)I0(Tp•r)

=0(2)

式中:εr是等离子体等效介电常数;T2p=k2-εrk20,T20=k2-k20;In(•)为第一类修正的第n阶贝塞尔函数;Kn(•)为第二类修正的第n阶贝塞尔函数;r为等离子体柱半径;k是等离子体中的波矢;k0=ω/c为自由空间的波矢。

等离子体天线要传导和发射电磁波,那么要求等离子体密度较高,且等离子体频率高于天线工作频率。在此条件下,等离子体表面波波矢k的虚部Im(k)较小,即电磁波传播衰减较小;而实部Re(k)则接近自由空间中波矢k0。等离子体表面波的传播性质类似金属的电磁波传播性质,因此等离子体可以代替金属作为天线传导媒质。

2 等离子体天线的研究现状

等离子体天线的研究,起始于20世纪50年代,在21世纪初达到了较高的研究热度。国际上,许多科技、军事强国都将等离子体天线的研究和应用放在了非常重要的位置。表面波激励等离子体天线研究的主要内容有:等离子体天线辐射理论研究,物理实验与工程应用研究,以及计算电磁学仿真研究等。

2.1 等离子体天线的理论分析

等离子体天线的理论研究,主要考虑对等离子体柱进行几何模型建立并对特征方程进行理论分析。实际的等离子体柱需要用明确的几何模型和参数进行建模。对于轴向长度远大于半径的等离子体柱,可应用介质圆柱波导理论得到简谐电磁场表达式,然后针对具体几何结构和介质情况应用边界连续条件,得到类似式(2)的特征方程,从而可以分析等离子体中的波矢、传播系数和衰减系数。

对无介质覆盖,径向均匀分布的等离子体柱的情况,在特征方程建立之后,可以采用理论分析和数值计算来考察等离子体参数对波的相位和衰减系数的影响[2]。对于更加实际的外磁场中介质覆盖的磁化等离子体柱,文献[3]分析了其中的波传播特性,研究了等离子体参数对传输模式的衰减和色散特性的影响。等离子体天线的辐射方向图也可以进行近似理论分析。在特征方程基础上可以进一步求解等离子体柱上面的电流分布,然后计算出等离子体天线的辐射方向图[4]。

在军事领域中,用于高功率微波武器系统的激光等离子体通道天线已经提出[5],它在非磁化和磁化情况下的电磁波传播特性得到了理论分析。等离子体频率和电子碰撞频率对等离子体表面波波矢的影响也得到了研究[6]。

2.2 等离子体天线的物理实验研究

采用物理实验方法能够对等离子体天线进行具体物理参数的测量和分析,如等离子体的激发迟滞时间、导电率、热噪声等。等离子体天线的物理实验装置如图1所示。空心圆柱介质管内部充填了低压惰性气体用于激发产生等离子体柱。等离子体天线底部装入一个馈电盒,作为等离子体天线的激励信号和通信信号馈电装置。在馈电盒内部,等离子体天线底部套了上下两个金属馈电圆环。其中,上面的等离子体激励馈电环用于施加激励信号,其功率通常可以提高到120 W,引起局部强电场将馈电环附近的惰性气体电离形成高密度等离子体[7]。馈电盒下面的通信信号馈电环用于将需发射的信号馈入等离子体天线。

图1 等离子体天线实验装置示意图

在等离子体天线的设计和构造上,除了常见的玻璃管封装外,还有塑料管封装的等离子体天线,它具有物理造型可变动的特点。文献[8]中介绍了环状等离子体天线,等离子体反射器、等离子体频率选择表面等设计,相关的专利成果已授权[9]。对等离子体的激发,采用间断脉冲激励可以产生稳定的等离子体。实际上1 kHz的激励脉冲信号即可稳定地激发等离子体天线使其工作。在等离子体物理实验和商业通信应用方面,Rayner等人利用网络分析仪、频谱仪等仪器进行商业通信实验。实验项目包括声音信号的AM/FM调制发射以及TV信号的发射,得到了较理想的效果[7]。他们采用了等离子体激发和通信信号输入两套馈电电路,研究了等离子体天线的有效长度、天线噪声、天线效率和辐射方向图等性能。Borg等人通过理论与实验研究,发现等离子体天线在未电离时具有低雷达探测率和低互耦特性。实验结果表明天线效率和噪声不会影响等离子体天线性能,而且表面波驱动等离子体天线的效率可以通过简单计算得到[10],相应的成果申请了专利。采用物理实验可以对等离子体天线的效率、导通时间进行测试,另外结合CST软件仿真和物理实验的数据可以大致计算等离子体柱的电导率。当电导率低于20 S/m,天线的耗散功率比辐射功率还高;如果电导率高于100 S/m,则天线具有良好的辐射性能。对于双极子形式的等离子体天线,采用理论分析结合物理实验和数值仿真进行研究,发现其谐振长度接近1/4表面波波长而天线的辐射效率不差于金属天线。

国内研究人员对等离子体天线也进行了较全面深入的物理实验研究,并且有专利申请。多线圈耦合激励的等离子体天线,能够灵活控制激励功率从而获得长度可电调节的自重构等离子体天线,相应成果可见文献。等离子体激励电路的设计中需要考虑大功率脉冲信号的驱动电路设计,并且对功率器件进行过流保护。在等离子体天线阻抗分析方面,采用网络分析仪对等离子体天线信号端口的阻抗测量,发现它具有明显的谐振特性,这对等离子体天线阻抗匹配具有指导意义。结合金属天线阻抗分析方法可以对等离子体天线辐射阻抗、欧姆损耗阻抗进行分析。文献得到了电离阻抗的理论结果,并且设计实验进行了电离阻抗测量,然后将理论和实验结果进行了对比研究。

2.3 等离子体天线的计算电磁学仿真研究

随着计算机性能的提高,计算电磁学得到了迅速发展和应用,采用计算电磁学仿真方法对等离子体天线的研究成为可能。非磁化等离子体和磁化等离子体都可以采用FDTD(Finite-Difference Time-Domain,时域有限差分)方法进行仿真。计算电磁学方法能够快速地对结构比较复杂,理论分析比较困难的天线建模,对近场分布、远场辐射和天线效率等参数进行简便、准确的分析。

FDTD算法可以对等离子体作为导电媒质的单极子天线进行建模仿真。等离子体柱放置在一个金属平板上,构成单极子等离子体天线模型。等离子体柱底端套上金属环,在上面馈入电压信号。建立等离子体天线几何模型之后,进行网格单元剖分并加入近-远场转换边界和吸收边界。这样就可以在离散空间网格上以离散时间步长进行FDTD递推,得到等离子体天线近场辐射的时域波形数据。然后根据近场辐射数据,计算等离子体天线的远场方向图,输入阻抗,天线效率等性能。文献采用FDTD方法分析了方柱形等离子体单极子天线的输入阻抗、轴向电流分布和近远场辐射,发现等离子体参数的改变使远场辐射出现端射现象。

国内对等离子体天线的计算电磁学研究进行得较早,达到了国际先进的研究水平。对等离子体覆盖金属单极子天线的FDTD仿真发现等离子体覆盖使得谐振频率降低,近场中电磁波脉冲的波前和远场辐射的高频分量被削减。介质壳包围的等离子体方柱单极子天线的不同几何尺寸以及不同等离子体参数对回波损耗、天线辐射效率的影响得到了研究。圆柱坐标系FDTD算法可以对真实情况下圆柱状的等离子体天线更好地建模,从而对等离子体参数作用于输入阻抗和辐射效率的影响进行分析。采用矩量法仿真等离子体天线的研究目前比较少。文献采用矩量法对柱状等离子体天线进行仿真,得到了辐射方向图、输入阻抗、天线效率等天线参数的动态重构特性。为了对实用场合中介质壳覆盖的圆柱状等离子体天线的特性进行分析,文献对等离子体天线建立了更加贴合实际的模型。文中分析了介质管介电常数与等离子体天线辐射强度和天线效率的关系,发现介质管介电常数的恰当选取可以优化等离子体天线的辐射性能。

3 结 语

对等离子体天线的电磁场理论、物理实验和计算电磁学仿真等方面的研究情况分别作了介绍,可见这个领域的研究取得了较多成果,并且保持了较高研究热度。等离子体天线具有电子可控的辐射性能和对雷达隐身的特性。而等离子体天线阵列则具有可重构性和低互耦性。

等离子体天线科技还需要进一步探索和完善。理论分析中,通常假设等离子体密度均匀和表面电流分布类似金属天线等近似条件,因此可以对更符合实际的模型进行理论分析;实验研究上,等离子体激发产生的噪声影响需要进一步降低,对等离子体物理参数进行动态控制的设备需要开发;另外,对于不同构造形式的和磁化的等离子体天线的数值仿真可以进行探索。

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