用等離子體代替金屬制作天線進(jìn)行信號(hào)發(fā)射與接收,其應(yīng)用范圍十分廣泛,但常規(guī)等離子體天線采用硬質(zhì)玻璃管或石英管構(gòu)建,易受損且難以改變形狀。文中提出采用常用軟質(zhì)真空管結(jié)合氣體放電,激勵(lì)電源、饋電、屏蔽、耦合裝置等構(gòu)建等離子體線天線。改變放電功率和天線形狀,可使天線的通信頻帶范圍從100 MHz調(diào)節(jié)到300 MHz,3 dB增益帶寬最大達(dá)100 MHz以上,與相同形狀的常規(guī)等離子體天線相比,性能相差不大。同時(shí),該天線不僅可以實(shí)現(xiàn)阻抗、方向性的動(dòng)態(tài)重構(gòu),也能夠滿足左旋圓極化、右旋圓極化轉(zhuǎn)化的需求。該研究可以為實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化可重構(gòu)等離子體天線、以及在航空、航海等軍民融合領(lǐng)域的應(yīng)用做參考。 

【文章來(lái)源】：微波學(xué)報(bào). 2020,36(05)北大核心CSCD

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軟質(zhì)等離子體線型天線

按金屬天線理論,天線形狀改變,性能也隨之改變,如天線阻抗、回波損耗、增益等。著名研究者M(jìn)oisan和Nowakowska[17]在2018年的報(bào)道中提到,改變等離子體柱的電子密度,難以改變等離子體天線輻射方向圖的形狀。因此,僅改變等離子體參量不足以實(shí)現(xiàn)天線更大范圍的動(dòng)態(tài)調(diào)控。尤其當(dāng)?shù)入x子體天線形狀固定時(shí),雖然增益、阻抗帶寬等特性可隨等離子體參數(shù)改變而改變,但在收發(fā)信號(hào)的頻率固定時(shí),方向圖和極化特性難以做出大的調(diào)整。柔性放電管轉(zhuǎn)化成柱形天線和V形天線時(shí)的反射系數(shù)S11如圖3所示,柱形天線和V形天線均由一個(gè)放電管形變轉(zhuǎn)化,天線總長(zhǎng)度為1 m,內(nèi)徑1.2 cm,管厚度1.5 mm。柔性天線在柱形和V形時(shí)的放電功率分別為1.4 W和2.7 W,功率不同的原因是利用探針?lè)y(cè)量電子密度時(shí),估測(cè)在電子密度相近時(shí)V形天線所需的放電功率高�？梢钥闯�,通信頻率100～400 MHz區(qū)間,當(dāng)開(kāi)啟天線時(shí),回波損耗發(fā)生較大變化,由回波損耗反映出的兩種天線的阻抗帶寬亦有一定差別。其中柱形天線在177～328 MHz區(qū)間,回波損耗低于-10 dB,阻抗帶寬約為150 MHz。V形天線的回波損耗在206～373 MHz范圍內(nèi)低于-10 dB,阻抗帶寬約為167 MHz�？梢�(jiàn),在電子密度量級(jí)相差不大情況下,改變形狀也能夠調(diào)控天線阻抗帶寬性能。3.3 不同形狀下天線增益性能

考慮到放電管厚度對(duì)電磁波傳輸性能有一定影響,利用文獻(xiàn)[18]給出的實(shí)驗(yàn)方法,測(cè)試天線在不同管壁厚度下的增益S21。實(shí)驗(yàn)中選擇了三個(gè)內(nèi)徑均為1.2 cm,壁厚分別為1 mm、1.5 mm和2 mm的放電管。所選取的工作頻率范圍為100～300 MHz,放電功率為3.3 W。等離子天線形狀為柱形,作發(fā)射天線,金屬天線為接收天線,收發(fā)天線間距20 m。圖4為不同管壁厚度下參數(shù)S21的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從中可以發(fā)現(xiàn),隨管厚度的增加,天線增益下降,尤其是在頻率大于250 MHz時(shí),下降更為明顯。原因可能是高頻電磁波在放電管介質(zhì)中傳播時(shí),放電管對(duì)電磁波的消耗較大。就等離子體天線而言,一定程度地增加電子密度ne,天線增益會(huì)增大。改變天線形狀時(shí),等離子體天線阻抗及頻點(diǎn)發(fā)生改變,因此在不同帶寬范圍內(nèi),天線的增益也應(yīng)有相應(yīng)改變。圖5所示為軟質(zhì)等離子體天線在形變?yōu)橹�、倒V和螺旋天線時(shí)的增益比較。在激勵(lì)1 m長(zhǎng)的天線時(shí),需要的功率各不相同,柱形和V形天線激勵(lì)功率相差不大,而螺旋形天線需要的功率較大。實(shí)驗(yàn)中三種天線的放電功率分別為3.3 W、4.2 W和6.7 W,此時(shí)測(cè)量天線內(nèi)部等離子體電子密度均在接近1017 m-3量級(jí)。由圖5可以看出,天線在不同頻段的增益有所不同,所選的測(cè)試頻率在100～300 MHz之間,因?yàn)樵趉Hz激勵(lì)源條件下,信號(hào)頻率超過(guò)300 MHz,天線增益下降過(guò)快。相比之下,螺旋天線的3 dB帶寬較寬,可以達(dá)到近100 MHz,在整個(gè)頻率區(qū)間相對(duì)增益變化較小,但最大增益較柱形天線小,柱形天線雖然帶寬相對(duì)較窄,但在頻點(diǎn)區(qū)間內(nèi)增益較高。這表明,改變天線形狀也可以改變通信頻帶,若再結(jié)合電子密度進(jìn)行調(diào)控,天線的可重構(gòu)范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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