CN101938035B - 一种具有全向扫描功能的阵列等离子体天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由多个等离子体天线单元同时工作构成的等离子体天线阵列，其辐射方向图的指向可以在等离子体天线单元分布的平面上全向扫描。各个等离子体天线单元上的信号馈电环将相同相位和幅度的通信信号馈入到等离子体天线上。对需要产生较强辐射的方向上的等离子体天线单元，施加较高的激励功率以产生较高密度和较高电导率的等离子体。具有较高电导率的这个等离子体天线单元的辐射信号相比其他天线单元强，这样等离子体天线阵列就能在需要的方向上产生较强的辐射，从而使天线阵列的方向图全向扫描。特点在于，多个等离子体天线排列成阵列同时工作，天线阵列不仅具有高的增益和方向性，而且具有更好的方向图可重构性。

Description

一种具有全向扫描功能的阵列等离子体天线

技术领域

本发明涉及一种等离子体天线阵列，特别是涉及全向扫描的表面波驱动等离子体天线阵列，可以实现天线的隐身和方向图可重构功能。

背景技术

现代移动通信系统的高速发展对通信系统天线提出了更高的要求。通信天线正在向着频率可重构和方向图可重构的方向发展。相比传统金属天线，等离子体天线采用等离子体代替普通金属来传导和辐射电磁波，因此具有其独特的优点：首先，通过控制等离子体参数，可以使天线的辐射方向图、效率和工作带宽等特性实现动态重构；第二，等离子体天线在没有激发的时候是普通介质，雷达散射截面极小。第三，构成等离子体天线的气体材料重量轻，因此它可制成便携天线；第四，等离子体天线的外部封装管如果用可塑材料制成，那么等离子体天线物理形态可以根据需要进行弯折改变。

单个等离子体天线的辐射方向图、工作带宽等特性显然能够在一定范围内进行动态调整，但是调整的范围有限。等离子体天线阵列中的每个等离子体天线单元的辐射特性都可以通过调整其中等离子体参数(如等离子体频率、电子碰撞频率等)来进行控制。如果改变等离子体天线阵列中某个天线单元的等离子体参数，可以使该单元的辐射强度发生变化，进而使得整个阵列的辐射特性变化。等离子体天线阵列中任意一个天线单元辐射特性的变化都可以用来控制阵列的整体辐射特性，所以等离子体天线阵列的可控范围更宽。它的特点主要在于：首先在馈电信号方面，等离子体天线阵列的各个天线单元可以在同相馈电的情况下，利用每个单元不同的等离子体参数调整和设置实现单元方向图的变化，使等离子体天线阵列整体的辐射特性实现动态控制。第二，等离子体天线阵列单元之间的互耦可以控制。在某个单元不工作时，可以将它的激励信号取消，那么这个等离子体柱就消失成为介质管中的普通惰性气体，它对于阵列中其他单元没有互耦作用。第三，等离子体天线阵列的辐射单元数量也可以动态控制。既可以使用单个等离子体天线产生全向辐射，也可以使用多个等离子体天线单元共同作用产生可以动态扫描的辐射方向图。第四，等离子体天线阵列中各个单元可以在不同频段工作，可以将它设计成为多频天线。等离子体材料具有高通滤波的特性，它对高于等离子体频率的电磁波是“隐身”的。因此不同频段的各个等离子体天线单元可以同时工作。

2009年，美国专利US7474273-B1公开了一种平面等离子体面板构成的等离子体天线阵列。该天线类似相控阵天线，包括在一个平面基板上的多个被电离气体充填的等离子体壳，被称为等离子体平板。等离子体壳被连接到两个电极以提供驱动电压，每一个等离子体壳都可以作为一个偶极子天线，多个等离子体壳可以排列或者连接起来形成天线阵列。但是该发明仍然基于相控阵原理，即各个天线单元的馈电信号要有一定的相位差，因此天线阵列的馈电相位控制比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种馈电方法简单，辐射特性快速可调，可以进行方向图全向扫描的等离子体天线阵列。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种具有全向扫描功能的阵列等离子体天线，包括多个工作于表面波模式的等离子体天线单元，多个等离子体天线单元在同一圆环上等间距地排列分布，相邻两个等离子体天线单元的距离为λ/8-λ/4，其中λ＝c/f，光速c＝3×10⁸m/s，f为等离子体天线阵列的工作频率，即通信信号的工作频率；

所述等离子体天线单元包括介质管、惰性气体、激励馈电环、信号馈电环和接地板；介质管是中空的圆柱管，其中封装了惰性气体；介质管下端的外部设置激励馈电环，激励馈电环是金属圆环；接地板是圆形的金属平板，放置在介质管的正下方；信号馈电环是环状的金属片，环绕在介质管的底部，设置在激励馈电环和接地板之间；各个等离子体天线单元的激励馈电环通过导线分别与各自的射频激励电源相连，而激励控制器用于控制各个射频激励电源施加到对应的等离子体天线单元上的功率；多个等离子体天线单元的信号馈电环通过导线与信号输入端口相连，用于将来自信号输入端口的等幅同相的通信信号同时馈入到等离子体天线。

为进一步实现本发明目的，所述激励馈电环的材料为导电性能良好的金属，能承受100W以下的激励功率。

所述射频激励电源输出10-30MHz的正弦波信号，其功率在1 00W以下连续可调。

所述介质管的长度被设置为λ/4。

所述介质管由玻璃或者耐热塑料制成，介质管的厚度为0.5mm-4mm。

所述接地板的半径与介质管的半径之比小于3。

所述信号馈电环设置在接地板之上8-12mm，激励馈电环设置在信号馈电环之上3-6mm。

所述惰性气体优选选择氩气、氖气、氦气、氪气或氙气；惰性气体的压强为10mTorr-10Torr。所述惰性气体中还可掺入水银蒸汽。

本发明来自射频激励源的高功率射频信号通过激励馈电环对介质管中的惰性气体进行激励。激励馈电环将介质管底部的惰性气体电离，激发产生的表面波继续沿着介质管向顶端传播，使得介质管中的惰性气体被电离成为等离子体柱。同时，来自信号馈电端口的等幅同相的通信信号通过信号馈电环施加到等离子体柱上，同样以表面波的形式传导并且辐射出去。多个等离子体天线单元排列起来同时工作构成等离子体天线阵列。各个等离子体天线单元在平面的圆环上等间距地排列。当等离子体天线阵列工作时，所有等离子体天线单元都同时受到激励处于工作状态，而且每个天线单元上都同时馈入了通信信号。不同的是，等离子体天线阵列中有部分天线单元的辐射性能比其他天线单元更强：激励控制器可以使施加在某个等离子体天线单元的激励馈电环上的功率增强，使得介质管中惰性气体被电离的程度更高，从而使其中产生的等离子体的密度更高，因此该天线单元中的等离子体具有更高的电导率，所以它的辐射性能比其他天线单元更强，使得整个天线阵列在这个方向上具有较强的辐射方向性。在需要产生较强辐射的方向上，选择相应位置的等离子体天线进行较大功率的激励，就能在该方向上产生较强的方向图指向性。所以该等离子体天线阵列的辐射方向图可以在天线单元分布的平面上进行360°的全向扫描。

本发明与现有等离子体天线技术相比，其有益效果是：等离子体天线阵列的各个天线单元都同时被激发成为等离子体天线，而且通信信号都等幅同相地馈入到天线单元上，所以各个天线单元是同时工作的，这样可以具有较高的辐射方向性系数。通过改变等离子体天线单元的射频激励功率，可以灵活地对各个天线单元的等离子体电导率和辐射强度进行动态调整，因此其辐射特性的可控性更宽、更快速。等离子体天线阵列的方向图可以指向需要的方向，这相比单个等离子体天线只能呈现倒“8”字形的方向图具有更好的方向图控制性，能够将辐射功率集中在需要的方向上，因此方向性系数更高。

本发明与普通金属天线阵列相比，其有益效果是：等离子体天线阵列的馈电采用等幅同相馈电方式，这样免去了金属天线阵列对各个天线单元的馈电端口的相位控制电路的复杂性、不稳定性和成本高特性；另外，等离子体天线阵列通过改变某个天线单元的激励功率使其等离子体电导率变化，从而影响天线阵列的方向图指向性，这是一种电控的方向图扫描，可以实现方向图的快速动态重构。

附图说明

图1是本发明的俯视结构图。

图2是本发明等离子体天线单元1的结构示意图。

图中示出：等离子体天线单元1、介质管2、惰性气体3、激励馈电环4、射频激励源5、激励控制器6、信号馈电环7、信号输入端口8、接地板9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，全向扫描的等离子体天线阵列包括了多个等离子体天线单元1，多个等离子体天线单元1在同一圆环上等间距地排列分布，相邻两个等离子体天线单元1的距离固定，介于λ/8-λ/4，其中λ＝c/f，光速c＝3×10⁸m/s，f为等离子体天线阵列的工作频率；等离子体天线单元的数量N为4-8。如果天线单元数量增多，则增加圆环半径就可以保持相邻天线单元的直线距离固定。

如图2所示，等离子体天线单元1包括介质管2、惰性气体3、激励馈电环4、信号馈电环7和接地板9；介质管2可以由玻璃或者耐热塑料制成，介质管2是中空的圆柱管，厚度优选为0.5mm-4mm，其中封装了惰性气体3，长度优选为λ/4，可以使等离子体天线单元1具有较高的辐射强度；介质管2下端的外部设置激励馈电环4是金属圆环，其内径与介质管2的外径相同；接地板9是圆形的金属平板，放置在介质管2的正下方，接地板9的半径与介质管2的半径之比优选小于3；信号馈电环7是环状的金属片，环绕在介质管2的底部，设置在激励馈电环4和接地板9之间，信号馈电环7的内径等于介质管2的外径。信号馈电环7优选设置在接地板9之上8-12mm，激励馈电环4优选设置在信号馈电环7之上3-6mm。各个等离子体天线单元1的激励馈电环4通过导线分别与各自的射频激励电源5相连，而激励控制器6用于控制各个射频激励电源5施加到对应的等离子体天线单元1上的功率；多个等离子体天线单元1的信号馈电环7通过导线与信号输入端口8相连，用于将来自信号输入端口8的通信信号馈入到等离子体天线1。信号输入端口8用于连接信号发射机或者接收机。

激励馈电环4的材料为导电性能良好的金属，要求能承受100W以下的激励功率。激励馈电环4对惰性气体3进行单端激励以产生表面波驱动的等离子体柱。射频激励电源5可输出10-30MHz的正弦波信号，其功率在100W以下连续可调。来自信号输入端口8的通信信号通过信号馈电环7等幅同相地馈入阵列中的每个等离子体天线单元1上。

介质管2内部充填的惰性气体3被激励馈电环4激发成为等离子体柱，成为等离子体天线单元1的电磁波传导媒质；每个等离子体天线单元1都有一个射频激励电源5，其功率由激励控制器6控制，实现对每个等离子体天线单元1的激励功率的单独控制；通过控制射频激励电源5的激励功率可以分别调节某些等离子体天线单元1的等离子体密度，从而使其电导率变化，引起该等离子体天线单元1辐射或者接收通信信号强度的变化。某个角度的等离子体天线单元辐射或者接收通信信号强度增大，会使得整个天线阵列的方向图在该角度具有比较明显的指向性，从而使天线阵列的方向图可以全向扫描。

工作时，各个等离子体天线单元1都受到各自射频激励电源5的作用；用于辐射信号时，等幅同相的通信信号从信号输入端口8通过信号馈电环7与等离子体天线单元1耦合，使各个等离子体天线单元1同时辐射通信信号。如果等离子体天线阵列不工作，那么射频激励电源5、激励控制器6和信号输入端口8都关闭，介质管2中的等离子体回复为惰性气体3，其雷达散射截面极小，从而使等离子体天线阵列具有雷达隐身性能。

等离子体天线单元1的长度在电长度为λ/4时具有较好的辐射性能，等离子体天线单元1的介质管2的长度被设置为λ/4。对于600MHz的工作频率，介质管2的长度可为125mm，从而使其中受激生成等离子体的长度为125mm，即对应电长度为λ/4。各个等离子体天线单元1在圆环上排列，其中相邻两个天线单元的直线距离固定，介于λ/8-λ/4，如果天线单元数量增多，那么增加圆环半径就可以保持相邻两个天线单元的直线距离固定不变。介质管2中充填的惰性气体3可以选择氩气、氖气、氦气、氪气或者氙气，另外也可以在其中掺入水银蒸汽。惰性气体3的气体压强为10mTorr-10Torr。激励馈电环4和信号馈电环7位于介质管2的底端。

等离子体天线阵列用于辐射时，所有介质管2中的惰性气体3都被激励馈电环4电离为等离子体，形成等离子体天线单元1。通信信号从信号输入端口8输入到信号馈电环7并且馈入等离子体天线单元1。通过调整各个等离子体天线单元1上的射频激励功率，可以使其中的等离子体密度发生变化，从而导致其电导率也随之改变。等离子体的等效电导率σ_p为：

${\mathrm{\σ}}_p={\mathrm{\ϵ}}_0\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2}{v}$

其中，ω_p为等离子体角频率，单位为rad/s；v为电子碰撞频率，单位为Hz；ε₀＝8.854×10^-12F/m，为真空介电常数。而ω_p是与等离子体密度相关的：

${\mathrm{\ω}}_p=\sqrt{\frac{e^2{N}_p}{m_e{\mathrm{\ϵ}}_0}}$

其中等离子体密度为N_p，单位m^-3，电子电荷量e＝1.6×10^-19C，电子质量m_e＝9.11×10^-31kg。当激励控制器6控制射频激励源5，使得施加到某个等离子体天线1的射频激励功率增大时，介质管2中等离子体的密度上升，使得等离子体频率ω_p上升，从而引起等离子体的电导率σ_p上升，所以对应的等离子体天线单元的辐射强度增大。

通过选择图2中位于平面圆环上面不同方向的等离子体天线单元对其激励功率增强，就可以使在这个方向角度上天线单元的辐射功率比其他方向更强，从而使得天线阵列总的辐射方向图在这个方向上具有明显的指向性。增强不同方向上等离子体天线单元的激励功率，就可以使等离子体天线阵列的方向图在平面上进行360°全向扫描。

Claims (7)

1.一种具有全向扫描功能的阵列等离子体天线，其特征在于：包括多个工作于表面波模式的等离子体天线单元，多个等离子体天线单元在同一圆环上等间距地排列分布，相邻两个等离子体天线单元的距离为λ/8-λ/4，其中λ=c/f，光速c=3×10⁸m/s，f为等离子体天线阵列的工作频率；

所述等离子体天线单元包括介质管、惰性气体、激励馈电环、信号馈电环和接地板；介质管是中空的圆柱管，其中封装了惰性气体；介质管下端的外部设置激励馈电环，激励馈电环是金属圆环；接地板是圆形的金属平板，放置在介质管的正下方；信号馈电环是环状的金属片，环绕在介质管的底部，设置在激励馈电环和接地板之间；各个等离子体天线单元的激励馈电环通过导线分别与各自的射频激励电源相连，而激励控制器用于控制各个射频激励电源施加到对应的等离子体天线单元上的功率；多个等离子体天线单元的信号馈电环通过导线与信号输入端口相连，用于将来自信号输入端口的等幅同相的通信信号同时馈入到等离子体天线；激励馈电环对惰性气体进行单端激励以产生表面波驱动的等离子体柱；

所述介质管的长度被设置为λ/4；所述介质管由玻璃或者耐热塑料制成，介质管的厚度为0.5mm-4mm。

2.根据权利要求1所述的具有全向扫描功能的阵列等离子体天线，其特征在于：所述激励馈电环的材料为导电性能良好的金属，能承受100W以下的激励功率。

3.根据权利要求1所述的具有全向扫描功能的阵列等离子体天线，其特征在于：所述射频激励电源输出10-30MHz的正弦波信号，其功率在100W以下连续可调。

4.根据权利要求1所述的具有全向扫描功能的阵列等离子体天线，其特征在于：所述接地板的半径与介质管的半径之比小于3。

5.根据权利要求1所述的具有全向扫描功能的阵列等离子体天线，其特征在于：所述信号馈电环设置在接地板之上8-12mm，激励馈电环设置在信号馈电环之上3-6mm。

6.根据权利要求1所述的具有全向扫描功能的阵列等离子体天线，其特征在于：所述惰性气体选择氩气、氖气、氦气、氪气或氙气；惰性气体的压强为10mTorr-10Torr。

7.根据权利要求1所述的具有全向扫描功能的阵列等离子体天线，其特征在于：所述惰性气体中掺入水银蒸汽。

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