CN102709670B - 一种增强电磁波在等离子体中穿透性的磁体天线 - Google Patents

Abstract

该发明属于高速飞行器导航以及通信用磁体天线，包括柱状螺旋天线及密封式天线罩，强磁体接地板，锥体式同轴馈电导线柱。该磁体天线由于采用轴向模的螺旋天线并将天线和强永磁铁设为一体，既把磁体作为磁场发生器产生强磁场，又把磁体作为天线接地板，当磁场强度B≥0.5T时螺旋天线发射的信号即能有效的穿透等离子体，当永磁体磁场增加到1.0T时、天线增益增加到9.6dB，接近天线在空气中增益10.6dB，电磁波在等离子体中传播时的衰减降低了30dB。因而具有天线的频带带宽和圆极化带宽宽，天线电磁波在等离子体中的衰减幅度小，有效提高了天线的增益和对等离子体的穿透性等特点；克服背景技术因表面等离子体鞘套的存在而导致通信中断的弊病。

Description

一种增强电磁波在等离子体中穿透性的磁体天线

技术领域

本发明属于高速飞行器导航以及通信用的磁体天线，特别是一种用于飞行器表面存在等离子鞘套的立体螺旋天线。天线辐射出电磁波在等离子体中的衰减可较大幅度降低，从而克服了飞行器与地面之间由于飞行器表面等离子体鞘套导致的通信中断问题。

背景技术

当飞行器以高超声速在大气层中飞行时，飞行器周围高温气体将部分发生电离，形成等离子体。电磁波通过等离子鞘套传播过程中，因被等离子体鞘套反射、折射和吸收，能量将大幅度衰减，甚至传输完全中断。目前降低电磁波在等离子体中衰减主要措施有：改变气流形态，或提高通信频率、喷射亲电子性物质、外加强磁场等。每一种措施都有一定的局限性，如改变气流形态即会涉及到飞行器的气体动力学特性的变动并带来防热问题；提高通信频率会涉及到雨衰和大气传输衰减问题；在天线上喷射亲电子性物质会增加整个系统的重量和复杂性。而在外加强磁场减缓电磁波在等离子体中衰减研究中，产生强磁场主要有永磁体、电磁线圈和超导磁体三种方式。使用电磁线圈产生磁场，线圈的体积和重量都会很大；而使用超导技术则需要额外地添加冷却系统并需要提前激励超导线圈。常规磁体天线，如在《磁窗天线增强等离子体鞘套透波特性研究》（宇航学报2011年7月第32卷第7期，作者于哲峰，刘佳琪，任爱民等）一文中提出的一种微带圆极化磁体天线。该微带天线采用正方形贴片切角形式，正方形边长为54.4mm，切角为边长4.8mm的等腰三角形，贴片材料为铜。微带介质采用相对介电常数为3的材料，介质边长约为140mm，厚度为1.524mm。接地板形状为边长约110mm的立方体，材料选用稀土永磁体中的NdFeB(钕铁硼),其剩余磁感应强度最大可以达到1.4T左右；天线采用同轴线馈电，馈电点偏离贴片中心10.7mm；天线谐振频率为1.545GHz，馈电端口S11（-10dB）带宽约40MHz，天线增益约7.5dB，圆极化带宽很窄，只有10MHz左右。这是因为微带天线Q值很高，S11带宽较窄，而采用切角方式可以在某频点上满足圆极化，但圆极化带宽不会太宽，并且微带天线增益一般较小，无法满足穿透等离子体微波通信系统天线高增益要求。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种增强电磁波在等离子体中穿透性的磁体天线，达到提高天线的频带带宽和圆极化带宽（特性），大幅度降低天线电磁波在等离子体中的衰减幅度，有效提高微波通信系统天线的增益等目的；以克服高速飞行器与地面通信因飞行器表面等离子体鞘套的存在而导致通信中断的弊病。

本发明的解决方案是将天线和强永磁铁设为一体，既把磁体作为磁场发生装置产生强磁场、又把磁体作为天线接地板，以利用接地板的强磁场增强电磁波在等离子体鞘套中的透波特性；采用柱体（状）轴向模的螺旋天线代替背景技术中的正方形贴片切角形式微带天线，以提高天线频带的带宽、圆极化特性和增益；同时在螺旋天线和接地板磁体之间采用锥体式同轴导线作为馈电导线，通过同轴线的外导体与接地板磁体连接、而通过其内导体（轴芯线）与螺旋天线的下端连接，以克服端口大产生的反射问题、从而优化天线S11参数；为了避免天线与等离子体直接接触，采用一天线罩将螺旋天线罩于接地板上、工作时将螺旋天线与等离子体隔离；本发明即以此实现其发明目的。因此本发明磁体天线包括天线及其接地板，将天线与接地板连成一体的同轴馈电导线，关键在于天线为柱状（体）式轴向模螺旋天线，将天线与接地板连成一体的同轴导线为锥体式同轴馈电导线柱，在螺旋天线及锥体式同轴馈电导线柱上还设有一密封式天线罩；锥体式同轴馈电导线柱的下端穿过接地板、外端头则作为外接同轴电缆的接头，并通过该馈电导线柱锥环面上的外导体与接地板紧固连接，锥体式同轴馈电导线柱上端的内导体则通过螺旋天线下端将螺旋天线轴芯线正对接地板的中心并垂直于接地板悬空固定，密封式天线罩罩于螺旋天线及锥体式同轴导线柱后、其下口部则与接地板密封固定。

上述接地板为圆板式接地板，材质为钕铁硼（NdFeB）永磁体。螺旋天线的材质为铜、螺旋线直径（小径d）0.5-15mm、螺旋天线直径（大径D）30-100mm，螺旋节距（S）23-70mm，螺旋角θ为12°-15°、圈数（n）为4-7圈。所述锥体式同轴导线柱的锥度（锥面倾斜度）为6.5°-7.5°，锥体式同轴馈电导线柱在接地板上设置的位置（即馈电点位置）与接地板中心的距离与螺旋天线的半径相同（即为大径D/2）。所述同轴导线柱上端的内导体（轴芯线）通过螺旋天线下端将螺旋天线轴芯线正对接地板的中心并垂直于接地板悬空固定，螺旋天线下端与接地板之间的（空间）距为26-40mm。所述密封式天线罩为顶端带密封头的圆筒形天线罩，材质为聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯、下口部则与接地板密封固定。

本发明采用柱体（状）轴向模的螺旋天线代替背景技术中的正方形贴片切角形式微带天线，并将天线和强永磁铁设为一体，既把磁体作为磁场发生装置产生强磁场，又把磁体作为天线接地板，因此在空气环境下对比实验、在相同条件下本发明天线频带带宽较背景技术提高15倍左右、天线主辐射方向圆极化轴比小于4dB频带为1.2-1.8GHz，也达到了600MHz，而背景技术中的天轴比小于-4dB带宽只有10MHz本发天线的增益为10.6dB、而背景技术的增益只有7.5dB；而本发明在均匀等离子体环境下进行仿真（运行）实验，其结果是当磁场强度B≥0.5T时螺旋天线发射的信号即能有效的穿透等离子体，当永磁体磁场增加到1.0T时、天线增益增加到9.6dB，接近天线在空气中增益10.6dB，电磁波在等离子体中传播时的衰减降低了30dB。因而，本发明具有磁体天线的频带带宽和圆极化带宽（特性）得到成十倍以上的提高，且大幅度降低了天线电磁波在等离子体中的衰减幅度、有效提高微波通信系统天线的增益和对等离子体的穿透性等特点；克服高速飞行器与地面通信因飞行器表面等离子体鞘套的存在而导致通信中断的弊病。

附图说明

图1为本发明磁体天线结构示意图；

图2为本发明磁体天线锥体式同轴馈电导线柱的下端与外接同轴电缆连接关系放大图。

图中：1.接地板，2.天线罩，3.螺旋天线，4.锥体式同轴导线柱、4-1.内导体、4-2.中间绝缘层、4-3.外导体，5.（外接）同轴导线、5-1.内导体、5-2.中间绝缘、5-3.外导体、5-4.外绝缘层。

具体实施方式

以工作中心频率为1.5GHz的磁体天线为例：接地板1直径D为200mm、厚度为20mm，采用牌号N52的稀土钕铁硼永磁体，其电导率为625000西门子/米、最大剩磁强度1.43-1.48之间、最大磁能积398-422千焦耳/立方米；天线罩2采用顶端带密封头的圆筒形天线罩，其内径Φ80mm、高150mm、厚度为2mm，材质为微波损耗较小且耐高温的聚四氟乙烯材料，该天线罩罩于螺旋天线3及锥体式同轴导线柱4后、其下口部则与接地板密封固定；螺旋天线3材料为铜条、直径d为3mm，螺旋直径D为64mm、节距S为23mm，螺旋下端距离接地板1高度h为30mm，阻抗140.7欧姆；锥体式同轴导线柱4长度为43mm、顶部直径为Φ12mm，其端口阻抗为140欧姆、与螺旋的特征阻抗匹配，中间绝缘层4-2为聚四氟乙烯，同轴线内导体4-1直径为Φ0.4mm，该导线柱穿透接地板1并通过外导体4-3与接地板1紧固连接、其外端头直径为Φ1.4mm、阻抗为50欧姆，该端头露出接地板1的底部作为（外接）同轴电缆5的接头，该锥体式同轴导线柱4的设置位置（即馈电点位置）距接地板1的中心点32mm；用作通信系统信号源输入的外接同轴电缆5采用常规特性阻抗为50欧姆的信号传输用同轴电缆，其中5-1为内导体、5-2为中间绝缘、5-3为外导体、54为外绝缘层。

本实施方式在空气环境下对天线特性进行对比实验：

得到天线发射系数S11小于-10dB频带为1.2-1.8GHz，达到600MHz，而在中心频率1.5GHz处S11则为-20dB，端口反射很小（这主要得益于渐变同轴结构对天线阻抗与信号源阻抗之间的良好匹配）；天线主辐射方向圆极化轴比小于4dB频带为1.2-1.8GHz，也达到了600MHz，这是背景技术微带圆极化天线无法达到的；中心频率1.5GHz处轴比则为-3dB，该处圆极化轴比小于-4dB的空间角度为球坐标系θ<20度；天线定向性较好、主辐射方向位于天线顶部，3dB方向角为52度，天线增益为10.6dB。本实施方式天线特性与背景技术在相同环境下对比：

1.本实施方式螺旋天线的频带较宽，从1.2-1.8GHz，带宽为600MHz，而背景技术中的天线带宽只有40MHz；

2．本实施方式螺旋天线的圆极化带宽较宽，轴比小于-4dB频带为1.2-1.8GHz，达到了600MHz，而背景技术中的天轴比小于-4dB带宽只有10MHz，难以满足通信中需较宽带宽的要求；

3．本实施方式螺旋天线的增益较大、为10.6dB，而背景技术中的天线在空气环境下的增益只有7.5dB、天线增益较小，无法满足穿透等离子体微波通信系统天线高增益要求。

此外，本实施方式在等离子体电子密度10-11/立方厘米、等离子体碰撞频率为1.5GHz，包围天线罩外形为长和宽均为100mm、高为200mm长方体的均匀等离子体环境下进行仿真（运行）实验：

实验时调节永磁铁偏置磁场大小来验证其减缓电磁波在等离子体中传播衰减的效果，实验的磁场强度分别为0.1T、0.2T、0.3T、0.4T、0.5T、0.6T、0.7T、1T八种情况，并与未加永磁铁（金属接地板）相同结构立体螺旋天线在相同等离子体环境下作比较，结果如下表所示：

即：当永磁体磁场增加到1.0T时，天线增益增加到9.6dB，接近天线在空气中增益10.6dB，电磁波在等离子体中传播时的衰减降低了30dB；对实验不同强度磁场的性能对比，当磁场强度B≥0.5T时，螺旋天线即能够有效的穿透等离子体。

Claims (6)

1.一种增强电磁波在等离子体中穿透性的磁体天线，包括天线及其永磁体接地板，将天线与接地板连成一体的同轴馈电导线，其特征在于天线为柱状式轴向模螺旋天线，永磁体接地板为既把永磁体作为磁场发生装置产生强磁场、又把永磁体作为天线接地板的稀土强永磁体接地板，将天线与接地板连成一体的同轴导线为锥体式同轴馈电导线柱，在螺旋天线及锥体式同轴馈电导线柱上还设有一密封式天线罩；锥体式同轴馈电导线柱的下端穿过接地板、外端头则作为外接同轴电缆的接头，并通过该馈电导线柱锥环面上的外导体与接地板紧固连接，锥体式同轴馈电导线柱上端的内导体则通过螺旋天线下端将螺旋天线轴芯线正对接地板的中心并垂直于接地板悬空固定，密封式天线罩罩于螺旋天线及锥体式同轴导线柱后、其下口部则与接地板密封固定；

上述锥体式同轴馈电导线柱在接地板上设置的位置与接地板中心的距离与螺旋天线的半径相同。

2.按权利要求1所述增强电磁波在等离子体中穿透性的磁体天线，其特征在于所述稀土强永磁体接地板为圆板式接地板，材质为电导率625000西门子/米、最大剩磁强度1.43-1.48之间、最大磁能积398-422千焦耳/立方米的钕铁硼永磁体。

3.按权利要求1所述增强电磁波在等离子体中穿透性的磁体天线，其特征在于所述螺旋天线的材质为铜、螺旋线直径d为0.5-15mm、螺旋天线直径D为30-100mm，螺旋节距23-70mm，螺旋角θ为12°-15°、圈数为4-7圈。

4.按权利要求1所述增强电磁波在等离子体中穿透性的磁体天线，其特征在于所述锥体式同轴导线柱的锥度为6.5°-7.5°。

5.按权利要求1所述增强电磁波在等离子体中穿透性的磁体天线，其特征在于所述螺旋天线下端与接地板之间的距为26-40mm。

6.按权利要求1所述增强电磁波在等离子体中穿透性的磁体天线，其特征在于所述密封式天线罩为顶端带密封头的圆筒形天线罩，材质为聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯、下口部则与接地板密封固定。