基于软质放电管的等离子体线型天线
发布时间：2021-06-22 17:42
用等离子体代替金属制作天线进行信号发射与接收,其应用范围十分广泛,但常规等离子体天线采用硬质玻璃管或石英管构建,易受损且难以改变形状。文中提出采用常用软质真空管结合气体放电,激励电源、馈电、屏蔽、耦合装置等构建等离子体线天线。改变放电功率和天线形状,可使天线的通信频带范围从100 MHz调节到300 MHz,3 dB增益带宽最大达100 MHz以上,与相同形状的常规等离子体天线相比,性能相差不大。同时,该天线不仅可以实现阻抗、方向性的动态重构,也能够满足左旋圆极化、右旋圆极化转化的需求。该研究可以为实现与优化可重构等离子体天线、以及在航空、航海等军民融合领域的应用做参考。
【文章来源】：微波学报. 2020,36(05)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
软质等离子体线型天线
按金属天线理论,天线形状改变,性能也随之改变,如天线阻抗、回波损耗、增益等。著名研究者Moisan和Nowakowska[17]在2018年的报道中提到,改变等离子体柱的电子密度,难以改变等离子体天线辐射方向图的形状。因此,仅改变等离子体参量不足以实现天线更大范围的动态调控。尤其当等离子体天线形状固定时,虽然增益、阻抗带宽等特性可随等离子体参数改变而改变,但在收发信号的频率固定时,方向图和极化特性难以做出大的调整。柔性放电管转化成柱形天线和V形天线时的反射系数S11如图3所示,柱形天线和V形天线均由一个放电管形变转化,天线总长度为1 m,内径1.2 cm,管厚度1.5 mm。柔性天线在柱形和V形时的放电功率分别为1.4 W和2.7 W,功率不同的原因是利用探针法测量电子密度时,估测在电子密度相近时V形天线所需的放电功率高。可以看出,通信频率100～400 MHz区间,当开启天线时,回波损耗发生较大变化,由回波损耗反映出的两种天线的阻抗带宽亦有一定差别。其中柱形天线在177～328 MHz区间,回波损耗低于-10 dB,阻抗带宽约为150 MHz。V形天线的回波损耗在206～373 MHz范围内低于-10 dB,阻抗带宽约为167 MHz。可见,在电子密度量级相差不大情况下,改变形状也能够调控天线阻抗带宽性能。3.3 不同形状下天线增益性能
考虑到放电管厚度对电磁波传输性能有一定影响,利用文献[18]给出的实验方法,测试天线在不同管壁厚度下的增益S21。实验中选择了三个内径均为1.2 cm,壁厚分别为1 mm、1.5 mm和2 mm的放电管。所选取的工作频率范围为100～300 MHz,放电功率为3.3 W。等离子天线形状为柱形,作发射天线,金属天线为接收天线,收发天线间距20 m。图4为不同管壁厚度下参数S21的实验结果。从中可以发现,随管厚度的增加,天线增益下降,尤其是在频率大于250 MHz时,下降更为明显。原因可能是高频电磁波在放电管介质中传播时,放电管对电磁波的消耗较大。就等离子体天线而言,一定程度地增加电子密度ne,天线增益会增大。改变天线形状时,等离子体天线阻抗及频点发生改变,因此在不同带宽范围内,天线的增益也应有相应改变。图5所示为软质等离子体天线在形变为柱形、倒V和螺旋天线时的增益比较。在激励1 m长的天线时,需要的功率各不相同,柱形和V形天线激励功率相差不大,而螺旋形天线需要的功率较大。实验中三种天线的放电功率分别为3.3 W、4.2 W和6.7 W,此时测量天线内部等离子体电子密度均在接近1017 m-3量级。由图5可以看出,天线在不同频段的增益有所不同,所选的测试频率在100～300 MHz之间,因为在kHz激励源条件下,信号频率超过300 MHz,天线增益下降过快。相比之下,螺旋天线的3 dB带宽较宽,可以达到近100 MHz,在整个频率区间相对增益变化较小,但最大增益较柱形天线小,柱形天线虽然带宽相对较窄,但在频点区间内增益较高。这表明,改变天线形状也可以改变通信频带,若再结合电子密度进行调控,天线的可重构范围将进一步扩大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种紧凑型双圆极化有源接收天线设计[J]. 陈义峰,梁仙灵,李建平,王堃,贺冲,耿军平,朱卫仁,金荣洪. 电波科学学报. 2018(04)
[2]带直角反射器的太赫兹等离子体-金属混合天线[J]. 宋哲,刘玉宝,赵欣悦,阮久福,尹治平. 强激光与粒子束. 2018(06)
[3]一种VHF-UHF可重构低RCS等离子体天线设计[J]. 张飞越,袁斌,姚磊,夏利剑,谢丰联. 电子技术. 2018(01)
[4]船舶定线制水域AIS基站的等离子体八木天线[J]. 孙洋,胡勤友,赵建森,袁秋梦,谌浩. 上海海事大学学报. 2016(03)
[5]Dual-Channel Communication of Column Plasma Antenna Excited by a Surface Wave——Actualization and Simulation of Radiation Pattern[J]. 端木刚,赵长明,梁超,徐跃民. Plasma Science and Technology. 2015(01)
[6]实用型等离子体天线的研制与测试[J]. 孙简,谢义方,霍文青,徐跃民,孙海龙. 电波科学学报. 2013(06)
[7]柱形等离子体天线阻抗及辐射特性实验研究[J]. 赵建森,张芝涛,王健,徐晓文,俞哲. 电波科学学报. 2012(02)
[8]Experimental Study of Parameters of a Plasma Antenna[J]. Rajneesh KUMAR,Dhiraj BORA. Plasma Science and Technology. 2010(05)
[9]等离子体天线的噪声测量及分析[J]. 梁志伟,王之江,赵国伟,徐杰,徐跃民. 电波科学学报. 2007(06)
本文编号：3243263
【文章来源】：微波学报. 2020,36(05)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
软质等离子体线型天线
按金属天线理论,天线形状改变,性能也随之改变,如天线阻抗、回波损耗、增益等。著名研究者Moisan和Nowakowska[17]在2018年的报道中提到,改变等离子体柱的电子密度,难以改变等离子体天线辐射方向图的形状。因此,仅改变等离子体参量不足以实现天线更大范围的动态调控。尤其当等离子体天线形状固定时,虽然增益、阻抗带宽等特性可随等离子体参数改变而改变,但在收发信号的频率固定时,方向图和极化特性难以做出大的调整。柔性放电管转化成柱形天线和V形天线时的反射系数S11如图3所示,柱形天线和V形天线均由一个放电管形变转化,天线总长度为1 m,内径1.2 cm,管厚度1.5 mm。柔性天线在柱形和V形时的放电功率分别为1.4 W和2.7 W,功率不同的原因是利用探针法测量电子密度时,估测在电子密度相近时V形天线所需的放电功率高。可以看出,通信频率100～400 MHz区间,当开启天线时,回波损耗发生较大变化,由回波损耗反映出的两种天线的阻抗带宽亦有一定差别。其中柱形天线在177～328 MHz区间,回波损耗低于-10 dB,阻抗带宽约为150 MHz。V形天线的回波损耗在206～373 MHz范围内低于-10 dB,阻抗带宽约为167 MHz。可见,在电子密度量级相差不大情况下,改变形状也能够调控天线阻抗带宽性能。3.3 不同形状下天线增益性能
考虑到放电管厚度对电磁波传输性能有一定影响,利用文献[18]给出的实验方法,测试天线在不同管壁厚度下的增益S21。实验中选择了三个内径均为1.2 cm,壁厚分别为1 mm、1.5 mm和2 mm的放电管。所选取的工作频率范围为100～300 MHz,放电功率为3.3 W。等离子天线形状为柱形,作发射天线,金属天线为接收天线,收发天线间距20 m。图4为不同管壁厚度下参数S21的实验结果。从中可以发现,随管厚度的增加,天线增益下降,尤其是在频率大于250 MHz时,下降更为明显。原因可能是高频电磁波在放电管介质中传播时,放电管对电磁波的消耗较大。就等离子体天线而言,一定程度地增加电子密度ne,天线增益会增大。改变天线形状时,等离子体天线阻抗及频点发生改变,因此在不同带宽范围内,天线的增益也应有相应改变。图5所示为软质等离子体天线在形变为柱形、倒V和螺旋天线时的增益比较。在激励1 m长的天线时,需要的功率各不相同,柱形和V形天线激励功率相差不大,而螺旋形天线需要的功率较大。实验中三种天线的放电功率分别为3.3 W、4.2 W和6.7 W,此时测量天线内部等离子体电子密度均在接近1017 m-3量级。由图5可以看出,天线在不同频段的增益有所不同,所选的测试频率在100～300 MHz之间,因为在kHz激励源条件下,信号频率超过300 MHz,天线增益下降过快。相比之下,螺旋天线的3 dB带宽较宽,可以达到近100 MHz,在整个频率区间相对增益变化较小,但最大增益较柱形天线小,柱形天线虽然带宽相对较窄,但在频点区间内增益较高。这表明,改变天线形状也可以改变通信频带,若再结合电子密度进行调控,天线的可重构范围将进一步扩大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种紧凑型双圆极化有源接收天线设计[J]. 陈义峰,梁仙灵,李建平,王堃,贺冲,耿军平,朱卫仁,金荣洪. 电波科学学报. 2018(04)
[2]带直角反射器的太赫兹等离子体-金属混合天线[J]. 宋哲,刘玉宝,赵欣悦,阮久福,尹治平. 强激光与粒子束. 2018(06)
[3]一种VHF-UHF可重构低RCS等离子体天线设计[J]. 张飞越,袁斌,姚磊,夏利剑,谢丰联. 电子技术. 2018(01)
[4]船舶定线制水域AIS基站的等离子体八木天线[J]. 孙洋,胡勤友,赵建森,袁秋梦,谌浩. 上海海事大学学报. 2016(03)
[5]Dual-Channel Communication of Column Plasma Antenna Excited by a Surface Wave——Actualization and Simulation of Radiation Pattern[J]. 端木刚,赵长明,梁超,徐跃民. Plasma Science and Technology. 2015(01)
[6]实用型等离子体天线的研制与测试[J]. 孙简,谢义方,霍文青,徐跃民,孙海龙. 电波科学学报. 2013(06)
[7]柱形等离子体天线阻抗及辐射特性实验研究[J]. 赵建森,张芝涛,王健,徐晓文,俞哲. 电波科学学报. 2012(02)
[8]Experimental Study of Parameters of a Plasma Antenna[J]. Rajneesh KUMAR,Dhiraj BORA. Plasma Science and Technology. 2010(05)
[9]等离子体天线的噪声测量及分析[J]. 梁志伟,王之江,赵国伟,徐杰,徐跃民. 电波科学学报. 2007(06)
本文编号：3243263
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