等離子體天線研究與應(yīng)用進(jìn)展

摘 要:等離子體天線的可重構(gòu)、雷達(dá)隱身和低互耦等特性使它在軍事和商業(yè)通信領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。在深入闡述等離子體天線的基本原理和構(gòu)造形式的基礎(chǔ)上，從理論分析、物理實驗和計算電磁學(xué)仿真三個方面對國內(nèi)外等離子體天線的研究和應(yīng)用情況進(jìn)行細(xì)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(jìn)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(guān)鍵詞:等離子體天線;可重構(gòu)天線;雷達(dá)隱身性;低互耦性

中圖分類號:TN827文獻(xiàn)標(biāo)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(dǎo)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(zhǔn)中性、有集約效應(yīng)的非束縛態(tài)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(dǎo)電性能，類似金屬導(dǎo)體。在等離子體天線應(yīng)用中，電磁波以表面波的形式沿著等離子體表面?zhèn)鞑ゲ⑶野l(fā)射到空間中。等離子體天線的優(yōu)點是輻射性能可控、可對雷達(dá)隱身等。此外，采用等離子體天線構(gòu)成的陣列還具有方向圖可重構(gòu)和低互耦的特性。

在商用上，采用等離子體天線的通信設(shè)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(shù)都可以動態(tài)進(jìn)行調(diào)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(nèi)動態(tài)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(jìn)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(shè)施的雷達(dá)隱蔽性能。因為采用等離子體材料傳導(dǎo)和輻射電磁信號，所以可以在需要的時候才激發(fā)產(chǎn)生等離子體，發(fā)射軍事通信信號;其余時間不激發(fā)等離子體，此時等離子體相當(dāng)于一般惰性氣體，不會吸收或散射雷達(dá)信號，從而實現(xiàn)對雷達(dá)隱身。

1 等離子體天線的基本原理

構(gòu)成等離子體天線的等離子體材料，其介電常數(shù)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(zhì)量;ωp和vc由等離子體的密度、氣壓和溫度等物理參數(shù)確定。

對徑向均勻分布的等離子體柱，沿其表面?zhèn)鞑ル姶挪ǖ牟ㄊ赣墒?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(shù);T2p=k2-εrk20，T20=k2-k20;In(#8226;)為第一類修正的第n階貝塞爾函數(shù);Kn(#8226;)為第二類修正的第n階貝塞爾函數(shù);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(dǎo)和發(fā)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(zhì)類似金屬的電磁波傳播性質(zhì)，因此等離子體可以代替金屬作為天線傳導(dǎo)媒質(zhì)。

2 等離子體天線的研究現(xiàn)狀

等離子體天線的研究，起始于20世紀(jì)50年代，在21世紀(jì)初達(dá)到了較高的研究熱度。國際上，許多科技、軍事強(qiáng)國都將等離子體天線的研究和應(yīng)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(nèi)容有:等離子體天線輻射理論研究，物理實驗與工程應(yīng)用研究，以及計算電磁學(xué)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(jìn)行幾何模型建立并對特征方程進(jìn)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(shù)進(jìn)行建模。對于軸向長度遠(yuǎn)大于半徑的等離子體柱，可應(yīng)用介質(zhì)圓柱波導(dǎo)理論得到簡諧電磁場表達(dá)式，然后針對具體幾何結(jié)構(gòu)和介質(zhì)情況應(yīng)用邊界連續(xù)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(shù)和衰減系數(shù)。

對無介質(zhì)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(shù)值計算來考察等離子體參數(shù)對波的相位和衰減系數(shù)的影響[2]。對于更加實際的外磁場中介質(zhì)覆蓋的磁化等離子體柱，文獻(xiàn)[3]分析了其中的波傳播特性，研究了等離子體參數(shù)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(jìn)行近似理論分析。在特征方程基礎(chǔ)上可以進(jìn)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(lǐng)域中，用于高功率微波武器系統(tǒng)的激光等離子體通道天線已經(jīng)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?qū)Φ入x子體天線進(jìn)行具體物理參數(shù)的測量和分析，如等離子體的激發(fā)遲滯時間、導(dǎo)電率、熱噪聲等。等離子體天線的物理實驗裝置如圖1所示?？招膱A柱介質(zhì)管內(nèi)部充填了低壓惰性氣體用于激發(fā)產(chǎn)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(nèi)部，等離子體天線底部套了上下兩個金屬饋電圓環(huán)。其中，上面的等離子體激勵饋電環(huán)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(qiáng)電場將饋電環(huán)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(huán)用于將需發(fā)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(shè)計和構(gòu)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(xiàn)[8]中介紹了環(huán)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(shè)計，相關(guān)的專利成果已授權(quán)[9]。對等離子體的激發(fā)，采用間斷脈沖激勵可以產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體。實際上1 kHz的激勵脈沖信號即可穩(wěn)定地激發(fā)等離子體天線使其工作。在等離子體物理實驗和商業(yè)通信應(yīng)用方面，Rayner等人利用網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜儀等儀器進(jìn)行商業(yè)通信實驗。實驗項目包括聲音信號的AM/FM調(diào)制發(fā)射以及TV信號的發(fā)射，得到了較理想的效果[7]。他們采用了等離子體激發(fā)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(fā)現(xiàn)等離子體天線在未電離時具有低雷達(dá)探測率和低互耦特性。實驗結(jié)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(qū)動等離子體天線的效率可以通過簡單計算得到[10]，相應(yīng)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(dǎo)通時間進(jìn)行測試，另外結(jié)合CST軟件仿真和物理實驗的數(shù)據(jù)可以大致計算等離子體柱的電導(dǎo)率。當(dāng)電導(dǎo)率低于20 S/m，天線的耗散功率比輻射功率還高;如果電導(dǎo)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(jié)合物理實驗和數(shù)值仿真進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)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(nèi)研究人員對等離子體天線也進(jìn)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(diào)節(jié)的自重構(gòu)等離子體天線，相應(yīng)成果可見文獻(xiàn)。等離子體激勵電路的設(shè)計中需要考慮大功率脈沖信號的驅(qū)動電路設(shè)計，并且對功率器件進(jìn)行過流保護(hù)。在等離子體天線阻抗分析方面，采用網(wǎng)絡(luò)分析儀對等離子體天線信號端口的阻抗測量，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)意義。結(jié)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(jìn)行分析。文獻(xiàn)得到了電離阻抗的理論結(jié)果，并且設(shè)計實驗進(jìn)行了電離阻抗測量，然后將理論和實驗結(jié)果進(jìn)行了對比研究。

2.3 等離子體天線的計算電磁學(xué)仿真研究

隨著計算機(jī)性能的提高，計算電磁學(xué)得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用，采用計算電磁學(xué)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(jìn)行仿真。計算電磁學(xué)方法能夠快速地對結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，理論分析比較困難的天線建模，對近場分布、遠(yuǎn)場輻射和天線效率等參數(shù)進(jìn)行簡便、準(zhǔn)確的分析。

FDTD算法可以對等離子體作為導(dǎo)電媒質(zhì)的單極子天線進(jìn)行建模仿真。等離子體柱放置在一個金屬平板上，構(gòu)成單極子等離子體天線模型。等離子體柱底端套上金屬環(huán)，在上面饋入電壓信號。建立等離子體天線幾何模型之后，進(jìn)行網(wǎng)格單元剖分并加入近-遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換邊界和吸收邊界。這樣就可以在離散空間網(wǎng)格上以離散時間步長進(jìn)行FDTD遞推，得到等離子體天線近場輻射的時域波形數(shù)據(jù)。然后根據(jù)近場輻射數(shù)據(jù)，計算等離子體天線的遠(yuǎn)場方向圖，輸入阻抗，天線效率等性能。文獻(xiàn)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(yuǎn)場輻射，發(fā)現(xiàn)等離子體參數(shù)的改變使遠(yuǎn)場輻射出現(xiàn)端射現(xiàn)象。

國內(nèi)對等離子體天線的計算電磁學(xué)研究進(jìn)行得較早，達(dá)到了國際先進(jìn)的研究水平。對等離子體覆蓋金屬單極子天線的FDTD仿真發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)場輻射的高頻分量被削減。介質(zhì)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(shù)對回波損耗、天線輻射效率的影響得到了研究。圓柱坐標(biāo)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(shù)作用于輸入阻抗和輻射效率的影響進(jìn)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(xiàn)采用矩量法對柱狀等離子體天線進(jìn)行仿真，得到了輻射方向圖、輸入阻抗、天線效率等天線參數(shù)的動態(tài)重構(gòu)特性。為了對實用場合中介質(zhì)殼覆蓋的圓柱狀等離子體天線的特性進(jìn)行分析，文獻(xiàn)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(zhì)管介電常數(shù)與等離子體天線輻射強(qiáng)度和天線效率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)管介電常數(shù)的恰當(dāng)選取可以優(yōu)化等離子體天線的輻射性能。

3 結(jié) 語

對等離子體天線的電磁場理論、物理實驗和計算電磁學(xué)仿真等方面的研究情況分別作了介紹，可見這個領(lǐng)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(dá)隱身的特性。而等離子體天線陣列則具有可重構(gòu)性和低互耦性。

等離子體天線科技還需要進(jìn)一步探索和完善。理論分析中，通常假設(shè)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(jìn)行理論分析;實驗研究上，等離子體激發(fā)產(chǎn)生的噪聲影響需要進(jìn)一步降低，對等離子體物理參數(shù)進(jìn)行動態(tài)控制的設(shè)備需要開發(fā);另外，對于不同構(gòu)造形式的和磁化的等離子體天線的數(shù)值仿真可以進(jìn)行探索。

參考文獻(xiàn)

[1]Borg G G，Harris J H，Miljak D G，et al.Application of Plasma Columns to Radiofrequency Antennas[J].Applied Physics Letters，1999，74(22):3 272-3 274.

[2]Nowakowska H，Zakrzewski Z，Moisan M.Propagation Characteristics of Electromagnetic Waves along a Dense Plasma Filament[J].Journal of Physics D:Applied Physics，2001，34(10):1 474-1 478.

[3]Hu B J，Wei G.Numerical Simulation of the Fundamental Mode of a Aagnetoplasma Rod Surrounded by a Lossless Dielectric Layer[J].IEEE Trans.on Plasma Science，2001，29(1):1-7.

[4]Wang Z J，Zhao G W，Xu Y M，et al.Propagation of Surface Wave Along a thin Plasma Column and its Radiation Pattern[J].Plasma Science and Technology，2007，9(5):526-529.

[5]夏新仁，尹成友.等離子體通道天線的傳播特性分析[J].微波學(xué)報，2009，25(2):22-27.

[6]陳宗勝，時家明，王甲寅，等.表面波等離子體天線的柱狀等離子體源參數(shù)研究[J].真空電子技術(shù)，2008(2):18-21.

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

[8]Alexeff I，Anderson T，Parameswaran S，et al.Experimental and Theoretical Results with Plasma Antennas[J].IEEE Trans.on Plasma Science，2006，34(2):166-172.

[9]Norris E，Anderson T，Alexeff I.A Reconfigurable Plasma Antenna.US:6369763-B1，2001.

[10]Borg G G，Harris J H，Martin N M，et al.Plasmas as Antennas:Theory，Experiment and Applications[J].Physics of Plasmas，2000，7(5):2 198-2 202.

Harris J H，Borg G G，Martin N M.Plasma Antenna.US:6492951-B1，2000.

Cerri G，De Leo R，Primiani V M N，et al.Measurement of the Properties of a Plasma Column Used as a Radiating Element[J].IEEE Trans.on Instrumentation and Measurement，2008，57(2):242-247.

Istomin E N，Karfidov D M，Minaev I M，et al.Plasma Asymmetric Dipole Antenna Excited by a Surface Wave[J].Plasma Physics Reports，2006，32(5):388-400.