1 引言

等離子體天線是一種將等離子體作為電磁輻射導向媒質(zhì)的射頻天線 。傳統(tǒng)金屬天線，尤其是天線陣列，重量和體積都相對較大，設(shè)計制作不靈活，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)，等離子體天線長度可調(diào)，可以對天線性能進行較為靈活的控制。另外，等離子體天線在沒有激發(fā)的狀態(tài)下,雷達散射截面可以忽略不計，而天線僅在通信發(fā)送或接收的短時間內(nèi)激發(fā),提高了天線的隱蔽性;

利用改變離子密度來改變天線的瞬時帶寬,且具有大的動態(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)造并組合成一個頻率、波束寬度、功率、增益和方向性動態(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，其運動主要受電磁力強弱的支配，并呈現(xiàn)出顯著的群體行為。在普通的氣體中，電離度達到0.1%，就已具有較為明顯的等離子體特性。電離度達到1%時，就能達到與良導體類似的電導率。

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]。實驗表明，只用直流偏壓就可在管內(nèi)快速地實現(xiàn)等離子體的形成和猝滅,從而實現(xiàn)天線的開關(guān)。當?shù)入x子體猝滅、天線關(guān)閉時,管內(nèi)氣體不具有傳導性,從而對其它天線的方向圖不會產(chǎn)生影響;當?shù)入x子體形成天線工作時,等離子體是電的良導體，可以用來傳遞無線電信號。

非磁化等離子體的特性參數(shù)可用如下幾個式子來表達：

(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變化對諧振頻率取值沒有影響，但隨著碰撞頻率ν減小，諧振深度增大。這說明碰撞頻率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。說明等離子體碰撞頻率越小，損耗越小，天線輻射性能越好。[!--empirenews.page--]

3.2 等離子體角頻率對天線性能的影響

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。這說明等離子體頻率fp減小，導致天線電長度減小，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。

圖4 fp=900GHz，600GHz，300GHz對應(yīng)的|S11|圖

圖5 等離子體角頻率對天線增益的影響

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。有耗金屬電導率取106S/m。

圖6 等離子體和有耗金屬對應(yīng)的|S11|圖

兩種天線的|S11|結(jié)果列于圖6中，對于各個諧振頻點總體來說，等離子體天線比金屬天線諧振頻率小。說明物理長度相同的情況下，等離子體天線的電長度更大。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。說明等離子體天線完全可以達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 等離子體長度對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)。若金屬天線的長度L=l/4，則第一諧振頻率f=c/4L。可見，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?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天線第一諧振頻率和方向性都沒有太大影響。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，等離子體天線與金屬天線輻射特性相似。接下來討論了等離子體長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與等離子體長度表達式，這種性質(zhì)與金屬天線類似。