等離子鞭天線仿真分析

等離子體天線是一種將等離子體作為電磁輻射導(dǎo)向媒質(zhì)的射頻天線 。傳統(tǒng)金屬天線，尤其是天線陣列，重量和體積都相對(duì)較大，設(shè)計(jì)制作不靈活，天線的尺寸與其輻射效率密切相關(guān)，自重構(gòu)性和適應(yīng)性較差。等離子密度可調(diào)，等離子體天線長(zhǎng)度可調(diào)，可以對(duì)天線性能進(jìn)行較為靈活的控制。另外，等離子體天線在沒(méi)有激發(fā)的狀態(tài)下,雷達(dá)散射截面可以忽略不計(jì)，而天線僅在通信發(fā)送或接收的短時(shí)間內(nèi)激發(fā),提高了天線的隱蔽性;

利用改變離子密度來(lái)改變天線的瞬時(shí)帶寬,且具有大的動(dòng)態(tài)范圍;等離子體諧振、阻抗以及電子密度均可重新調(diào)整，電離氣體天線單元可以構(gòu)造并組合成一個(gè)頻率、波束寬度、功率、增益和方向性動(dòng)態(tài)可調(diào)的序列,這些性質(zhì)可廣泛的應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。因此，等離子體天線有著重要意義。金屬天線與等離子體天線的相似性。本文通過(guò)CST仿真研究等離子體天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，等離子體特性參數(shù)與天線電特性的關(guān)系，仿真結(jié)果可為設(shè)計(jì)等離子體天線提供有益的參考。

2 等離子天線的基本原理

等離子體是由大量的正離子與自由電子組成的集合體，宏觀上近似呈電中性，且電離離子密度頗高，其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力強(qiáng)弱的支配，并呈現(xiàn)出顯著的群體行為。在普通的氣體中，電離度達(dá)到0.1%，就已具有較為明顯的等離子體特性。電離度達(dá)到1%時(shí)，就能達(dá)到與良導(dǎo)體類似的電導(dǎo)率。

等離子體的產(chǎn)生方式可分為：直流放電，高頻放電和微波放電[6]。實(shí)驗(yàn)表明，只用直流偏壓就可在管內(nèi)快速地實(shí)現(xiàn)等離子體的形成和猝滅,從而實(shí)現(xiàn)天線的開(kāi)關(guān)。當(dāng)?shù)入x子體猝滅、天線關(guān)閉時(shí),管內(nèi)氣體不具有傳導(dǎo)性,從而對(duì)其它天線的方向圖不會(huì)產(chǎn)生影響;當(dāng)?shù)入x子體形成天線工作時(shí),等離子體是電的良導(dǎo)體，可以用來(lái)傳遞無(wú)線電信號(hào)。

非磁化等離子體的特性參數(shù)可用如下幾個(gè)式子來(lái)表達(dá)：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中P—工作氣壓: P = nkT，,k —玻耳茲曼常數(shù)。;ω —傳輸頻率;ωp—等離子特征頻率;ν —等離子體碰撞頻率;ne—等離子體密度(cm-3);fpe—等離子體頻率。由上述表達(dá)式中可看出，等離子體電特性主要由等離子體頻率fpe和等離子體碰撞頻率ν決定。

3 等離子體參數(shù)對(duì)天線特性的影響

圖1為同軸線饋電等離子體天線的模型，天線主要結(jié)構(gòu)為被一層玻璃管罩住的等離子體柱。玻璃管厚度d=2mm，等離子體半徑a=5mm，等離子體長(zhǎng)度L=160mm。仿真中設(shè)定等離子體在管內(nèi)均勻。

圖1 同軸線饋電的等離子體鞭天線模型

3.1 等離子碰撞頻率對(duì)天線性能的影響

維持等離子體頻率fp=900GHz不變，等離子體碰撞頻率ν取5MHz，5GHz，10GHz。

圖2 碰撞頻率

=10GHz，5GHz，5MHz的|S11|圖

圖3 碰撞頻率

對(duì)天線增益的影響

|S11|結(jié)果列于圖2中，第一諧振頻率f0=0.56GHz，碰撞頻率ν變化對(duì)諧振頻率取值沒(méi)有影響，但隨著碰撞頻率ν減小，諧振深度增大。這說(shuō)明碰撞頻率ν越大，損耗越大。fp=900GHz，碰撞頻率ν取5MHz、2GHz、4GHz、6GHz、8GHz、10GHz。在第一諧振頻率下的天線增益結(jié)果列于圖3，碰撞頻率ν增大，等離子體鞭天線增益減小，輻射特性下降。說(shuō)明等離子體碰撞頻率越小，損耗越小，天線輻射性能越好。3.2 等離子體角頻率對(duì)天線性能的影響

維持等離子體碰撞頻率ν=5MHz不變，取等離子體頻率fp=900GHz、600GHz、300GHz，|S11|結(jié)果列于圖4中，第一諧振頻率分別為0.56GHz、0.50GHz、0.39GHz。等離子體頻率fp越大，第一諧振頻率越大，諧振深度略微減小。這說(shuō)明等離子體頻率fp減小，導(dǎo)致天線電長(zhǎng)度減小，從而第一諧振頻率增大。

等離子體頻率fp=900GHz、700GHz、500GHz、300GHz、100GHz。在第一諧振頻率下的天線增益結(jié)果列于圖5，等離子體頻率fp增大，等離子體鞭天線增益也增大。天線輻射特性增強(qiáng)。

圖4 fp=900GHz，600GHz，300GHz對(duì)應(yīng)的|S11|圖

圖5 等離子體角頻率對(duì)天線增益的影響

4 同軸線饋電等離子體天線與金屬天線輻射特性對(duì)比

相同結(jié)構(gòu)尺寸，把同軸線饋電等離子體天線模型中的等離子體材料換成有耗金屬，即可得到相同模型的等離子體天線與金屬天線的輻射特性對(duì)比結(jié)果。這里等離子體的參數(shù)取值為：等離子體頻率fp=900GHz，等離子體碰撞頻率ν=5MHz。有耗金屬電導(dǎo)率取106S/m。

圖6 等離子體和有耗金屬對(duì)應(yīng)的|S11|圖

兩種天線的|S11|結(jié)果列于圖6中，對(duì)于各個(gè)諧振頻點(diǎn)總體來(lái)說(shuō)，等離子體天線比金屬天線諧振頻率小。說(shuō)明物理長(zhǎng)度相同的情況下，等離子體天線的電長(zhǎng)度更大。它們的第一諧振頻率近似相同，分別為0.56GHz，0.59GHz。等離子體鞭天線的第一諧振頻率深度更大。由第一諧振頻率下兩天線的輻射方向圖知，兩種天線的E面，H面輻射圖完全重合。且在第一諧振頻率處，金屬鞭天線效率93.7%，增益為1.99dB;等離子體鞭天線效率96.1%，增益為1.86dB。說(shuō)明等離子體天線完全可以達(dá)到與金屬天線相似的輻射特性，可以替代金屬天線。考慮到等離子體天線獨(dú)有的隱身特性，可重構(gòu)性等顯著特征，等離子體天線將大有可為。

5 等離子體長(zhǎng)度對(duì)天線輻射特性的影響

等離子體頻率取值fp=900GHz，等離子體碰撞頻率取值v=5MHz。如圖7所示，第一諧振頻率f與等離子體長(zhǎng)度倒數(shù)1/L(1/mm)之間有著近似的線性關(guān)系，可得斜率k近似值為84，得到關(guān)系式f=84/L (GHz)。若金屬天線的長(zhǎng)度L=l/4，則第一諧振頻率f=c/4L。可見(jiàn)，等離子體天線和金屬天線都存在這種線性關(guān)系。

圖7 第一諧振頻率f與等離子體長(zhǎng)度倒數(shù)1/L的關(guān)系

仿真結(jié)果表明，在等離子體半徑r范圍是2mm~6mm，天線增益隨半徑增大而增大，當(dāng)?shù)入x子體半徑r變化范圍為1mm~9mm，玻璃管厚度d變化范圍為1mm~5mm，第一諧振頻率幾乎不變。

6 結(jié)論

本文首先討論了等離子體參數(shù)­——等離子體頻率和等離子體碰撞頻率對(duì)天線輻射特性的影響，結(jié)論為天線增益隨等離子體頻率的增大而增大，隨碰撞頻率增大而減小。等離子體頻率和碰撞頻率變化對(duì)天線第一諧振頻率和方向性都沒(méi)有太大影響。在等離子體頻率較大(900GHz)和等離子體碰撞頻率取值較小(5MHz)時(shí)，等離子體天線與金屬天線輻射特性相似。接下來(lái)討論了等離子體長(zhǎng)度與天線第一諧振頻率的關(guān)系，并給出了第一諧振頻率f與等離子體長(zhǎng)度表達(dá)式，這種性質(zhì)與金屬天線類似。