CN104078724B - 一种等离子体数字移相器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种等离子体数字移相器，结构简单，成本低廉，工作效率高，插入损耗低，性能可靠，其包括：矩形波导管，第一玻璃仓以及插在第一玻璃仓中的第一激活电极，和/或，第二玻璃仓以及插在第二玻璃仓中的第二激活电极；第一玻璃仓和第二玻璃仓安装在矩形波导管内并与矩形波导管相对的第一侧面和第二侧面密封连接，第一激活电极和第二激活电极分别贯穿第一侧面和第二侧面，第一玻璃仓和第二玻璃仓中填充惰性气体；第一玻璃仓和第二玻璃仓均为等腰梯形结构，第一玻璃仓与第一侧面平行的面为第一中心仓壁，第二玻璃仓与第二侧面平行的面为第二中心仓壁。

Description

一种等离子体数字移相器

技术领域

本发明涉及电磁场技术领域，尤其涉及一种等离子体数字移相器。

背景技术

相控阵雷达是当今世界上雷达研制和部署的主流，不论是在军事方面还是在通信系统中，都充分地表现了它的优势，具有多功能、超高分辨率的成像效果以及对远距离多目标的跟踪能力，从而对来袭目标实现精确定位、准确打击。

目前，通信中的智能天线也是用了一组相位可编程控制的天线来实现随时间调整的方向图，配以神经网络方式的信号处理，使其更接近于人类的思维活动。

相扫阵列天线的波束指向是天线阵面上每一个辐射单元的“小波束”在自由空间进行功率合成所形成的。用计算机控制天线阵面上的每一个天线单元所辐射载波的相位和幅度来完成波束指向的变换，从而实现方位面和俯仰面扫描，进行多目标搜索和跟踪。因此，电控数字式移相器是相控阵雷达的核心元件。

现有的雷达技术中所用的移相器结构复杂，插入损耗大，需要用到T/R组件的功率放大、低噪声放大以及其他供电与控制系统，将整机复杂化，增加了制造成本，降低了整机可靠性，又将计算繁复化，延长了计算时间，降低了工作效率。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种等离子体数字移相器，结构简单，成本低廉，工作效率高，插入损耗低，性能可靠。

本发明提出的一种等离子体数字移相器，包括：矩形波导管，第一玻璃仓以及插在第一玻璃仓中的第一激活电极，和/或，第二玻璃仓以及插在第二玻璃仓中的第二激活电极；

第一玻璃仓和第二玻璃仓安装在矩形波导管内并与矩形波导管相对的第一侧面和第二侧面密封连接，第一激活电极和第二激活电极分别贯穿第一侧面和第二侧面，第一玻璃仓和第二玻璃仓中填充惰性气体；

第一玻璃仓和第二玻璃仓均为等腰梯形结构，第一玻璃仓与第一侧面平行的面为第一中心仓壁，第二玻璃仓与第二侧面平行的面为第二中心仓壁，第一中心仓壁长度小于第一玻璃仓长度，第二中心仓壁长度小于第二玻璃仓长度；第一中心仓壁与第一侧面的距离为a1，第二中心仓壁与第二侧面的距离为a2，第一中心仓壁与第二中心仓壁的距离为a0；

第一玻璃仓和第二玻璃仓中的惰性气体均具有等离子态和消电离常态两种状态，惰性气体处于等离子态时，电离区域对于电磁波显现为金属边界；当第一玻璃仓和第二玻璃仓中的惰性气体处于消电离常态时，矩形波导管的功能尺寸为第一侧面至第二侧面的距离，即a0+a1+a2；当第一玻璃仓中的惰性气体处于消电离常态，第二玻璃仓中的惰性气体处于等离子态时，矩形波导管的功能尺寸为第一侧面至第二中心仓壁的距离，即a0+a1；当第一玻璃仓中的惰性气体处于等离子态，第二玻璃仓中的惰性气体处于消电离常态时，矩形波导管的功能尺寸为第一中心仓壁至第二侧面的距离，即a0+a2；当第一玻璃仓和第二玻璃仓中的惰性气体均处于等离子态时，矩形波导管的功能尺寸为第一中心仓壁至第二中心仓壁的距离，即a0。

优选地，惰性气体为多种稀有气体形成的混合气体。

优选地，惰性气体为氩气和氖气形成的混合气体。

优选地，矩形波导管的型号为BJ320。

优选地，制作第一玻璃仓所用玻璃的介电常数ε_r＝4.94。

优选地，制作第二玻璃仓所用玻璃的介电常数ε_r＝4.94。

本发明提出的等离子体移相器是一种融合电磁场、光电理论、物理电子学等技术的新型微波结构，其插入损耗小，应用频段可涵盖微波毫米波；相移控制手段只需简单的低电压即可实现，控制电路功耗小。本发明可用于S、C、X、K、W波段的相控阵雷达之中，其成本低、可靠性高、批量生产的造价与普通电子管相当。本发明可以有效地提高雷达整机的可靠性，简化其构造，降低运营成本。

附图说明

图1为本发明提出的一种等离子体数字移相器的正视图；

图2为本发明提出的一种等离子体数字移相器的侧视图；

图3为35GHz四位移相器级联后的示意图；

图4为本发明提出的另一种等离子体数字移相器的正视图；

图5为本发明提出的另一种等离子体数字移相器的侧视图。

具体实施方式

实施例1

参照图1、图2，本实施例提出的一种等离子体数字移相器，包括：矩形波导管1，第一玻璃仓2以及第一激活电极4。

第一玻璃仓2安装在矩形波导管1内并与矩形波导管1的第一侧面11密封连接，第一玻璃仓2中填充惰性气体。第一激活电极4插在第一玻璃仓2中并贯穿第一侧面11。矩形波导管1的第二侧面12与第一侧面11相对，第一侧面11至第二侧面12的距离a为矩形波导管1的功能尺寸。矩形波导管的型号为BJ320，其截面尺寸为a×b＝7.112×3.556mm²。

第一玻璃仓2为等腰梯形结构，第一中心仓壁21长度小于第一玻璃仓2长度。第一玻璃仓2两端的倾斜面与矩形波导管1两端垂直面的夹角为第一玻璃仓2与第一侧面11平行的面为第一中心仓壁21，第一玻璃仓2的长度等于矩形波导管1的长度l,第一中心仓壁21的长度为l_i，第一玻璃仓2两端的倾斜面在第一中心仓壁21所在面的投影长度为l_b，第一中心仓壁21与第一侧面11的距离为a1，第一中心仓壁21与第二侧面12的距离为w＝a-a1。制作第一玻璃仓2所用玻璃的介电常数ε_r＝4.94，第一玻璃仓2玻璃壁的厚度为d。

第一玻璃仓2中的惰性气体均具有等离子态和消电离常态两种状态。第一激活电极4可通电激活惰性气体生成等离子态，此时，第一玻璃仓2中为电离区域并对于电磁波显现为金属边界。

当第一玻璃仓2中的惰性气体处于消电离常态时，矩形波导管1的功能尺寸为第一侧面11至第二侧面12的距离，即a；当第一玻璃仓2中的惰性气体处于等离子态，矩形波导管1的功能尺寸为第一中心仓壁21至第二侧面12的距离，即w＝a-a1。

本实施例的目标为35GHz四位移相器，以上尺寸和参数可通过仿真得到。

第一玻璃仓2中的惰性气体未被激活处于消电离常态时，矩形波导管1功能部分截面积为a×b，截止频率的计算公式为：

$f_{c0}=\frac{c}{2}\sqrt{{\left(\frac{m}{a}\right)}^2+{\left(\frac{n}{b}\right)}^2},m=1,n=0$

第一玻璃仓2中的惰性气体激活为等离子态后，矩形波导管1功能部分截面积为w×b，截止频率的计算公式为：

$f_c=\frac{c}{2}\sqrt{{\left(\frac{m}{w}\right)}^2+{\left(\frac{n}{b}\right)}^2},m=1,n=0---\left(1\right)$

c为光速。

要求电离后的截止频率为

f_c＝29.4GHz (2)

结合公式(1)(2)，可的w＝5.1653mm。

矩形波导的相移常数计算公式为：

$\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2},a=7.112\mathrm{mm},a=w=5.1653\mathrm{mm}$

电离前规则波导的相移常数为

${\mathrm{\β}}_a=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2},a=7.112\mathrm{mm},=716.69\mathrm{rad}/m$

电离后规则矩形波导的相移常数为

${\mathrm{\β}}_w=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2w}\right)}^2},w=5.1653\mathrm{mm},=409.2\mathrm{rad}/m$

值得注意的是，通过仿真证实：当加入的第一玻璃仓贴着金属壁时，对相移常数的影响较小，可以忽略，因此，电离后规则波导的相移常数就可以从公式得到，而在电离前，第一玻璃仓在波导的中间，对相移常数影响较大，根据公式的计算值是β_a＝7.112mm＝585rad/m，显然是不准确的，这时，相移常数需通过仿真得到，即仿真结果为β_a＝716.69rad/m。

相移常数差为

Δβ＝β_a-β_w＝307.49rad/m (3)

设需要产生的相移为

例如，需要产生相移为180度时，

l＝2×l_b+l_i (6)

本实施方式中，恒定需要的四个相移量为90°、45°和22.5°。由于45°和22.5°小于84.741°，相移量为和22.5°时，需改变w的值来保证不变，此时w＝w1＝6.15mm，截止频率为24.39GHz。

通过仿真，对应于不同相移量计算出的波导长度如表一所示。

表一、对应于不同相移量计算出的波导长度

图3为本实施例中35GHz四位移相器级联后的示意图。

实施例2

参照图4、图5，本实施例提出的一种等离子体数字移相器，包括：矩形波导管1，第一玻璃仓2以及插在第一玻璃仓2中的第一激活电极4，第二玻璃仓3以及插在第二玻璃仓3中的第二激活电极5。

第一玻璃仓2和第二玻璃仓3安装在矩形波导管1内并与矩形波导管1相对的第一侧面11和第二侧面12密封连接，第一玻璃仓2和第二玻璃仓3中填充惰性气体，第一激活电极4贯穿第一侧面11用于通电激活第一玻璃仓2中的惰性气体，第二激活电极5贯穿第二侧面12用于通电激活第二玻璃仓3中的惰性气体。

第一玻璃仓2和第二玻璃仓3均为等腰梯形结构，第一玻璃仓2与第一侧面11平行的面为第一中心仓壁21，第二玻璃仓3与第二侧面12平行的面为第二中心仓壁31，第一中心仓壁21长度小于第一玻璃仓2长度，第二中心仓壁31长度小于第二玻璃仓3长度。

第一中心仓壁21与第一侧面11的距离为a1，第二中心仓壁31与第二侧面12的距离为a2，第一中心仓壁21与第二中心仓壁31的距离为a0。

制作第一玻璃仓2和第二玻璃仓3所用玻璃的介电常数ε_r＝4.94。

第一玻璃仓2和第二玻璃仓3中的惰性气体均具有等离子态和消电离常态两种状态，惰性气体处于等离子态时，电离区域对于电磁波显现为金属边界；当第一玻璃仓2和第二玻璃仓3中的惰性气体处于消电离常态时，矩形波导管1的功能尺寸为第一侧面11至第二侧面12的距离，即a0+a1+a2；当第一玻璃仓2中的惰性气体处于消电离常态，第二玻璃仓3中的惰性气体处于等离子态时，矩形波导管1的功能尺寸为第一侧面11至第二中心仓壁31的距离，即a0+a1；当第一玻璃仓2中的惰性气体处于等离子态，第二玻璃仓3中的惰性气体处于消电离常态时，矩形波导管1的功能尺寸为第一中心仓壁21至第二侧面12的距离，即a0+a2；当第一玻璃仓2和第二玻璃仓3中的惰性气体均处于等离子态时，矩形波导管1的功能尺寸为第一中心仓壁21至第二中心仓壁31的距离，即a0。

本实施例中，设计了两个玻璃仓，相对于上一个实施例，波导管的功能尺寸拥有更多选择，从而可实现更多相移量。玻璃仓的具体尺寸设计和参照上一个实施例通过仿真获得。

以上两个实施例中，惰性气体为氩气和氖气形成的混合气体，其电子亲和势接近于零，有较高的电离势。氩气和氖气自身是以单原子形式存在，原子之间只存在微弱的范德华力。氩气和氖气的混合气体在电压作用下，电子和气体分子发生非弹性碰撞，从而产生电离。只需要很低的电压便可以使得氩气和氖气产生电离，耗能少。具体实施时，惰性气体也可为其他稀有气体形成的混合气体。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种等离子体数字移相器，其特征在于，包括：矩形波导管(1)，第一玻璃仓(2)以及插在第一玻璃仓(2)中的第一激活电极(4)，第二玻璃仓(3)以及插在第二玻璃仓(3)中的第二激活电极(5)；第一玻璃仓(2)和第二玻璃仓(3)安装在矩形波导管(1)内，第一玻璃仓(2)与矩形波导管(1)的第一侧面(11)密封连接，第二玻璃仓(3)与矩形波导管(1)的第二侧面(12)密封连接，第一侧面(11)和第二侧面(12)相对，第一激活电极(4)和第二激活电极(5)分别贯穿第一侧面(11)和第二侧面，第一玻璃仓(2)和第二玻璃仓(3)中填充惰性气体；

第一玻璃仓(2)和第二玻璃仓(3)均为等腰梯形结构，第一玻璃仓(2)与第一侧面(11)平行的面为第一中心仓壁(21)，第二玻璃仓(3)与第二侧面(12)平行的面为第二中心仓壁(31)，第一中心仓壁(21)长度小于第一玻璃仓(2)长度，第二中心仓壁(31)长度小于第二玻璃仓(3)长度；第一中心仓壁(21)与第一侧面(11)的距离为a1，第二中心仓壁(31)与第二侧面(12)的距离为a2，第一中心仓壁(21)与第二中心仓壁(31)的距离为a0；

第一玻璃仓(2)和第二玻璃仓(3)中的惰性气体均具有等离子态和消电离常态两种状态，惰性气体处于等离子态时，电离区域对于电磁波显现为金属边界；当第一玻璃仓(2)和第二玻璃仓(3)中的惰性气体处于消电离常态时，矩形波导管(1)的功能尺寸为第一侧面(11)至第二侧面(12)的距离，即a0+a1+a2；当第一玻璃仓(2)中的惰性气体处于消电离常态，第二玻璃仓(3)中的惰性气体处于等离子态时，矩形波导管(1)的功能尺寸为第一侧面(11)至第二中心仓壁(31)的距离，即a0+a1；当第一玻璃仓(2)中的惰性气体处于等离子态，第二玻璃仓(3)中的惰性气体处于消电离常态时，矩形波导管(1)的功能尺寸为第一中心仓壁(21)至第二侧面(12)的距离，即a0+a2；当第一玻璃仓(2)和第二玻璃仓(3)中的惰性气体均处于等离子态时，矩形波导管(1)的功能尺寸为第一中心仓壁(21)至第二中心仓壁(31)的距离，即a0。

2.如权利要求1所述的等离子体数字移相器，其特征在于，惰性气体为多种稀有气体形成的混合气体。

3.如权利要求2所述的等离子体数字移相器，其特征在于，惰性气体为氩气和氖气形成的混合气体。

4.如权利要求1所述的等离子体数字移相器，其特征在于，矩形波导管(1)的型号为BJ320。

5.如权利要求1所述的等离子体数字移相器，其特征在于，制作第一玻璃仓(2)所用玻璃的介电常数ε_r＝4.94。

6.如权利要求1所述的等离子体数字移相器，其特征在于，制作第二玻璃仓(3)所用玻璃的介电常数ε_r＝4.94。