等離子體天線研究與應用進展

摘 要:等離子體天線的可重構、雷達隱身和低互耦等特性使它在軍事和商業通信領域有廣闊的應用前景。在深入闡述等離子體天線的基本原理和構造形式的基礎上，從理論分析、物理實驗和計算電磁學仿真三個方面對國內外等離子體天線的研究和應用情況進行細致介紹，并且指出了未來的研究重點和方向。通過對三個方面研究進展的綜述，可以為將來等離子體天線的深入研究提供有益參考。

關鍵詞:等離子體天線;可重構天線;雷達隱身性;低互耦性

中圖分類號:TN827文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-066-04

Research and Application Progress of Plasma Antenna

LI Xueshi1，HU Binjie1，LI Hanyu2，ZHOU Haijing2

(1.School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，510640，China;

2.Chinese Academy of Engineering Physics，Beijing，100094，China)

Abstract:The characteristics of radiation reconfigurability，radar stealth and low mutual coupling of plasma antenna bring prospects for military and commercial communication.The configuration of plasma antenna and its radiation mechanism are thoroughly elaborated.Three aspects of the research on plasma antenna，which are electromagnetic theory，physical experiment and computational electromagnetic simulation are introduced in detail.The research trend is also looked ahead.The review of research progress of the three aspects provides helpful reference for the further investigation on plasma antenna.

Keywords:plasma antenna;reconfigurable antennas;radar stealth;low mutual coupling

0 引 言

等離子體天線是采用等離子體代替普通金屬傳導和輻射電磁波的天線。等離子體是由帶電粒子組成的整體，它是呈準中性、有集約效應的非束縛態體系，通常包含電子離子和中性粒子。高密度等離子體具有良好的導電性能，類似金屬導體。在等離子體天線應用中，電磁波以表面波的形式沿著等離子體表面傳播并且發射到空間中。等離子體天線的優點是輻射性能可控、可對雷達隱身等。此外，采用等離子體天線構成的陣列還具有方向圖可重構和低互耦的特性。

在商用上，采用等離子體天線的通信設備可以更好地控制天線的輻射特性。由于采用等離子體作為天線材料，等離子體的密度、碰撞頻率等參數都可以動態進行調整。這樣可以使天線阻抗、帶寬、方向圖、輻射功率在較寬范圍內動態改變。相比普通相控天線陣，等離子天線陣列不用活動部件就能高速地進行輻射方向圖掃描。

在軍事上，等離子體天線可以提高軍事設施的雷達隱蔽性能。因為采用等離子體材料傳導和輻射電磁信號，所以可以在需要的時候才激發產生等離子體，發射軍事通信信號;其余時間不激發等離子體，此時等離子體相當于一般惰性氣體，不會吸收或散射雷達信號，從而實現對雷達隱身。

1 等離子體天線的基本原理

構成等離子體天線的等離子體材料，其介電常數等效為式(1):

εr(ω)=ε01+ω2pω(jvc-ω)〗

(1)

式中:ωp=e2Nmε0，是等離子體頻率;vc是電子碰撞頻率;ω是工作頻率;N是電子密度;e是電子電荷量;m是電子質量;ωp和vc由等離子體的密度、氣壓和溫度等物理參數確定。

對徑向均勻分布的等離子體柱，沿其表面傳播電磁波的波矢由式(2)表示[1]:

εrT0I1(Tp#8226;r)K0(T0#8226;r)+TpK1(T0#8226;r)I0(Tp#8226;r)

=0(2)

式中:εr是等離子體等效介電常數;T2p=k2-εrk20，T20=k2-k20;In(#8226;)為第一類修正的第n階貝塞爾函數;Kn(#8226;)為第二類修正的第n階貝塞爾函數;r為等離子體柱半徑;k是等離子體中的波矢;k0=ω/c為自由空間的波矢。

等離子體天線要傳導和發射電磁波，那么要求等離子體密度較高，且等離子體頻率高于天線工作頻率。在此條件下，等離子體表面波波矢k的虛部Im(k)較小，即電磁波傳播衰減較小;而實部Re(k)則接近自由空間中波矢k0。等離子體表面波的傳播性質類似金屬的電磁波傳播性質，因此等離子體可以代替金屬作為天線傳導媒質。

2 等離子體天線的研究現狀

等離子體天線的研究，起始于20世紀50年代，在21世紀初達到了較高的研究熱度。國際上，許多科技、軍事強國都將等離子體天線的研究和應用放在了非常重要的位置。表面波激勵等離子體天線研究的主要內容有:等離子體天線輻射理論研究，物理實驗與工程應用研究，以及計算電磁學仿真研究等。

2.1 等離子體天線的理論分析

等離子體天線的理論研究，主要考慮對等離子體柱進行幾何模型建立并對特征方程進行理論分析。實際的等離子體柱需要用明確的幾何模型和參數進行建模。對于軸向長度遠大于半徑的等離子體柱，可應用介質圓柱波導理論得到簡諧電磁場表達式，然后針對具體幾何結構和介質情況應用邊界連續條件，得到類似式(2)的特征方程，從而可以分析等離子體中的波矢、傳播系數和衰減系數。

對無介質覆蓋，徑向均勻分布的等離子體柱的情況，在特征方程建立之后，可以采用理論分析和數值計算來考察等離子體參數對波的相位和衰減系數的影響[2]。對于更加實際的外磁場中介質覆蓋的磁化等離子體柱，文獻[3]分析了其中的波傳播特性，研究了等離子體參數對傳輸模式的衰減和色散特性的影響。等離子體天線的輻射方向圖也可以進行近似理論分析。在特征方程基礎上可以進一步求解等離子體柱上面的電流分布，然后計算出等離子體天線的輻射方向圖[4]。

在軍事領域中，用于高功率微波武器系統的激光等離子體通道天線已經提出[5]，它在非磁化和磁化情況下的電磁波傳播特性得到了理論分析。等離子體頻率和電子碰撞頻率對等離子體表面波波矢的影響也得到了研究[6]。

2.2 等離子體天線的物理實驗研究

采用物理實驗方法能夠對等離子體天線進行具體物理參數的測量和分析，如等離子體的激發遲滯時間、導電率、熱噪聲等。等離子體天線的物理實驗裝置如圖1所示。空心圓柱介質管內部充填了低壓惰性氣體用于激發產生等離子體柱。等離子體天線底部裝入一個饋電盒，作為等離子體天線的激勵信號和通信信號饋電裝置。在饋電盒內部，等離子體天線底部套了上下兩個金屬饋電圓環。其中，上面的等離子體激勵饋電環用于施加激勵信號，其功率通常可以提高到120 W，引起局部強電場將饋電環附近的惰性氣體電離形成高密度等離子體[7]。饋電盒下面的通信信號饋電環用于將需發射的信號饋入等離子體天線。

圖1 等離子體天線實驗裝置示意圖

在等離子體天線的設計和構造上，除了常見的玻璃管封裝外，還有塑料管封裝的等離子體天線，它具有物理造型可變動的特點。文獻[8]中介紹了環狀等離子體天線，等離子體反射器、等離子體頻率選擇表面等設計，相關的專利成果已授權[9]。對等離子體的激發，采用間斷脈沖激勵可以產生穩定的等離子體。實際上1 kHz的激勵脈沖信號即可穩定地激發等離子體天線使其工作。在等離子體物理實驗和商業通信應用方面，Rayner等人利用網絡分析儀、頻譜儀等儀器進行商業通信實驗。實驗項目包括聲音信號的AM/FM調制發射以及TV信號的發射，得到了較理想的效果[7]。他們采用了等離子體激發和通信信號輸入兩套饋電電路，研究了等離子體天線的有效長度、天線噪聲、天線效率和輻射方向圖等性能。Borg等人通過理論與實驗研究，發現等離子體天線在未電離時具有低雷達探測率和低互耦特性。實驗結果表明天線效率和噪聲不會影響等離子體天線性能，而且表面波驅動等離子體天線的效率可以通過簡單計算得到[10]，相應的成果申請了專利。采用物理實驗可以對等離子體天線的效率、導通時間進行測試，另外結合CST軟件仿真和物理實驗的數據可以大致計算等離子體柱的電導率。當電導率低于20 S/m，天線的耗散功率比輻射功率還高;如果電導率高于100 S/m，則天線具有良好的輻射性能。對于雙極子形式的等離子體天線，采用理論分析結合物理實驗和數值仿真進行研究，發現其諧振長度接近1/4表面波波長而天線的輻射效率不差于金屬天線。

國內研究人員對等離子體天線也進行了較全面深入的物理實驗研究，并且有專利申請。多線圈耦合激勵的等離子體天線，能夠靈活控制激勵功率從而獲得長度可電調節的自重構等離子體天線，相應成果可見文獻。等離子體激勵電路的設計中需要考慮大功率脈沖信號的驅動電路設計，并且對功率器件進行過流保護。在等離子體天線阻抗分析方面，采用網絡分析儀對等離子體天線信號端口的阻抗測量，發現它具有明顯的諧振特性，這對等離子體天線阻抗匹配具有指導意義。結合金屬天線阻抗分析方法可以對等離子體天線輻射阻抗、歐姆損耗阻抗進行分析。文獻得到了電離阻抗的理論結果，并且設計實驗進行了電離阻抗測量，然后將理論和實驗結果進行了對比研究。

2.3 等離子體天線的計算電磁學仿真研究

隨著計算機性能的提高，計算電磁學得到了迅速發展和應用，采用計算電磁學仿真方法對等離子體天線的研究成為可能。非磁化等離子體和磁化等離子體都可以采用FDTD(Finite-Difference Time-Domain，時域有限差分)方法進行仿真。計算電磁學方法能夠快速地對結構比較復雜，理論分析比較困難的天線建模，對近場分布、遠場輻射和天線效率等參數進行簡便、準確的分析。

FDTD算法可以對等離子體作為導電媒質的單極子天線進行建模仿真。等離子體柱放置在一個金屬平板上，構成單極子等離子體天線模型。等離子體柱底端套上金屬環，在上面饋入電壓信號。建立等離子體天線幾何模型之后，進行網格單元剖分并加入近-遠場轉換邊界和吸收邊界。這樣就可以在離散空間網格上以離散時間步長進行FDTD遞推，得到等離子體天線近場輻射的時域波形數據。然后根據近場輻射數據，計算等離子體天線的遠場方向圖，輸入阻抗，天線效率等性能。文獻采用FDTD方法分析了方柱形等離子體單極子天線的輸入阻抗、軸向電流分布和近遠場輻射，發現等離子體參數的改變使遠場輻射出現端射現象。

國內對等離子體天線的計算電磁學研究進行得較早，達到了國際先進的研究水平。對等離子體覆蓋金屬單極子天線的FDTD仿真發現等離子體覆蓋使得諧振頻率降低，近場中電磁波脈沖的波前和遠場輻射的高頻分量被削減。介質殼包圍的等離子體方柱單極子天線的不同幾何尺寸以及不同等離子體參數對回波損耗、天線輻射效率的影響得到了研究。圓柱坐標系FDTD算法可以對真實情況下圓柱狀的等離子體天線更好地建模，從而對等離子體參數作用于輸入阻抗和輻射效率的影響進行分析。采用矩量法仿真等離子體天線的研究目前比較少。文獻采用矩量法對柱狀等離子體天線進行仿真，得到了輻射方向圖、輸入阻抗、天線效率等天線參數的動態重構特性。為了對實用場合中介質殼覆蓋的圓柱狀等離子體天線的特性進行分析，文獻對等離子體天線建立了更加貼合實際的模型。文中分析了介質管介電常數與等離子體天線輻射強度和天線效率的關系，發現介質管介電常數的恰當選取可以優化等離子體天線的輻射性能。

3 結 語

對等離子體天線的電磁場理論、物理實驗和計算電磁學仿真等方面的研究情況分別作了介紹，可見這個領域的研究取得了較多成果，并且保持了較高研究熱度。等離子體天線具有電子可控的輻射性能和對雷達隱身的特性。而等離子體天線陣列則具有可重構性和低互耦性。

等離子體天線科技還需要進一步探索和完善。理論分析中，通常假設等離子體密度均勻和表面電流分布類似金屬天線等近似條件，因此可以對更符合實際的模型進行理論分析;實驗研究上，等離子體激發產生的噪聲影響需要進一步降低，對等離子體物理參數進行動態控制的設備需要開發;另外，對于不同構造形式的和磁化的等離子體天線的數值仿真可以進行探索。

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