表面波等離子體天線的系統設計

陳文波

南華大學電氣工程學院，湖南 衡陽 421001

0 引言

等離子體天線是一種利用等離子體元素取代金屬導體的新型天線。這種天線通常由充滿惰性氣體的絕緣管組成，其底部通過一個耦合銅環套與射頻信號發生器相連。當天線工作時，RF信號源產生的高頻功率將管內的氣體電離形成高密度等離子體，因此有接收和發射電磁波信號的能力；而當天線斷電時，又成為絕緣體，幾乎不反射電磁波。

等離子體天線的這些特性使它具有傳統天線所無法比擬的優勢：它是通過電控制而非機械控制，因此能夠實現輻射方向圖的快速動態重構；僅在工作時才表現出導電性，這使得其被敵方雷達檢測到的機率大大降低；天線的有效長度可以通過改變所加的RF信號功率來進行控制。

本文首先對表面波驅動等離子體的原理進行了說明，然后在MOSIAN等人的工作基礎上，提出了一種能同時對激勵信號及發射信號進行控制的新型等離子體天線實驗系統。

1 實驗系統的建立

圖1 等離子體天線實驗系統

將等離子體柱用作天線必須要有兩個信號耦合進等離子體柱：用于產生并維持等離子體柱的激勵信號及作為天線所發射的包含信息的信號。因此等離子體天線主要由充氣的絕緣管、維持等離子體的部件以及信號激勵耦合部件這3部分構成。

圖1為所建立的實驗系統。上方電路的信號發生器提供433MHz的激勵信號，并通過功率放大器放大到能電離氣體的功率電平（該電路中還應插入一個功率表以監視輸入功率）。天線通過一個三聯短截線匹配到該網絡。輸入端口處套一個金屬環，以便將激勵功率耦合到天線中去。227MHz的信號也用同樣的金屬環耦合到天線上。該信號在到達天線前通過10W的放大器進行放大。利用一個定向耦合器測量反射功率。該路饋送網絡同樣通過三聯短線與天線匹配。由于電離氣體所需的功率很高，因此還應在電路中加入一個切口濾波器以阻止該高功率通過兩端口（饋送端和電離端）的耦合進入信號發生器。

天線效率是與等離子體天線性能相關的重要參數。由于天線輻射場的值是激勵等離子體饋入功率的函數，因此上述建立的實驗平臺同樣可以用來測量天線效率。電路中的三聯短截線可用于調整不同入射激勵功率的電平。以使得每個饋入到等離子體柱中的功率值都為1mW。后監視場強并提高激勵功率，連續調整三聯短線并讀取場值。然后移開該等離子體柱用相同長度的銅管代替，關閉激勵放大器。匹配信號線傳送1mW的功率到銅管，將達到的場值作為計算效率的參考。另外在進行此類測量時還應在電路中加入濾波器——測量點的433MHz激勵信號很強，有可能會對示波器所測得的227MHz信號產生影響。

作為輻射元的等離子體柱的效率還與等離子體電導率直接相關。電導率是激勵功率的函數，它會對天線損耗產生影響——在離激勵源很遠的地方，等離子體的密度很低，電導率會急劇下降。因此，等離子體柱的電導率對于等離子體天線的有效長度而言也非常重要。

圖2 電 測量系統

本實驗系統也可以對等離子體柱的電導率特性進行測量：如圖2所示，將等離子體柱通過兩孔插入到波導中，波導可以上下移動以得到不同位置處輸入值與波導內等離子體柱介電常數（分別為σ和εr）之間的關系。通過測量波導輸入端（在對端安裝一匹配負載終端器）的反射系數并應用互易定理，就可以計算出等離子體柱的電導率。

2 結論

本文提出了一種能同時對激勵信號及發射信號進行控制的新型等離子體天線實驗系統。該系統能夠方便的測量等離子體天線的輻射方向圖、天線效率及等離子體電導率等重要參數，并可與金屬天線的測量結果進行對比。這為今后實現等離子體天線的應用打下了基礎。

[1]J.P.Rayner, A.P.Whichello, A D.Cheetham,“Physical Characteristics of Plasma Antennas”, IEEE Trans.On Plasma Science，2004，32(1)：269-281.

[2]EN 55011“Limits and methods of measurement of radio disturbance characteristics of industrial,scientific and medical(ISM)radio frequency equipment.

[3]R.R.Collin“Foundations for microwave engineering”McGraw-Hill Ed，1992.