CN104466406A - 一种基于等离子体的电调相面天线 - Google Patents

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袁斌
郎少波
李翀
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Abstract

本发明涉及一种基于等离子体的电调相面天线，包括天线本体、等离子部件和调制控制单元，所述的等离子部件安装在天线本体上，并与调谐控制单元连接，通过调制控制单元对等离子部件进行控制实现特定的方向图及波束指向。与现有技术相比，本发明具有相位连续可调，控制精度极高等优点。

Description

一种基于等离子体的电调相面天线
技术领域
本发明涉及一种天线，尤其是涉及一种基于等离子体的电调相面天线。
背景技术
等离子态是物质除固态、液态和气态外的第四种状态，当物质温度升高或被电离时，电子和正离子分离，形成由电子和正离子组成的物质状态。这种电离物质在宏观上保持电中性，称为等离子体。
在微波领域，一方面可以将等离子体看作为一种电介质，其介电常数通过等离子体的密度、电离特性加以控制。其导波特性遵循传统意义上波导传播电磁波的理论，可以计算得到相应的截止频率、传播模式、传播中的能量损耗等。另一方面可以将等离子体看作一种特殊的物质，它既保持气体粒子的惯性，而其中的电子、离子又有各种各样的谐振，在不同的磁化条件下，电磁波在等离子中有不同的色散关系，也就能传播不同的波。利用等离子体的上述特性可以在诸如抛物面等传统的天线结构的基础上，以天线罩、反射面或等离子微波透镜的形式构成等离子相位调制天线系统。
目前，公知的相控阵天线方向性较好，但其口径大，造价高昂，副瓣电平高，且相位不能连续可调。而公知的抛物面天线具有很强的方向性，但不能电调相，且加工精度要求极高，造价成本高昂。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于等离子体的电调相面天线，在充分利用等离子体的电控可调性能的基础上，实现传统天线系统的重构和波束高精度赋形与指向。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于等离子体的电调相面天线，其特征在于，包括天线本体、等离子部件和调制控制单元，所述的等离子部件安装在天线本体上，并与调谐控制单元连接，通过调制控制单元对等离子部件进行控制实现特定的方向图及波束指向。
所述的等离子部件通过天线罩、反射面或等离子微波透镜的方式安装在天线本体上。
对于等离子部件为反射面时，其安装形式包括：
等离子部件依抛物面分布，由馈源产生的电磁波经等离子部件反射后，形成对地面观测区域辐照；
或者等离子部件为面阵结构，电磁波经等离子部件面阵反射后，实现对其在辐射空间内的幅度和相位的调制。
所述的面阵结构等离子部件对入射波幅度和相位进行调制后形成反射波，并在空间进行加权。
反射面的重构通过控制等离子阵元的状态来实现，具体为：
将等离子体加工成反射面单元，镶嵌构成反射面，通过激励控制部分反射面单元处于反射状态，而其余部分则处于透射状态，实现反射面的重构。
对于等离子部件为等离子微波透镜时，采用等离子透射式调相阵面，具体为：
由微波源产生的电磁波透过等离子透射式调相阵面，对电磁波幅度和相位在空间进行调制，形成对地面观测区域辐照。
所述的等离子透射式调相阵面采用单激励源或分布式激励方式。
所述的单激励源具体为：仅采用透射式等离子体对入射信号的幅度或相位进行调制。
所述的分布式激励具体为：将有源微波器件仅用于微波功率发射，而调相的任务将交给表面敷设的等离子阵元完成。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)相位连续可调，控制精度极高；(2)低成本、低功耗；(3)发挥传统天线系统结构优势。
附图说明
图1为本发明基于等离子体的电调相面天线基本结构示意图；
图2为反射面重构示意图；
图3为透射式等离子天线结构示意图；
图4(a)为反射式等离子天线构型(依抛物面分布)示意图；
图4(b)为反射式等离子天线构型(面阵分布)示意图；
图5为反射式等离子调相阵面示意图；
图6单源激励透射式等离子调相阵面示意图；
图7为全球源激励透射式等离子调相阵面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
在图1中，在采取经典的天线构型的基础上，通过加装等离子控制部件，并根据需求利用调制单元对等离子部件进行控制实现特定的方向图及波束指向。在系统实现方面，等离子体的形式将可以考虑采取低温低压气态等离子体或硅基固态等离子体材料，此外在成本和重量方面也可以得到良好的控制。
在图2中，以卡塞格伦天线为例，其主副反射面均可采取等离子反射面构成，通过控制等离子反射面反射部分和透射部分的分布实现天线结构的重构。将等离子体加工成小型反射面，镶嵌构成反射面。通过激励控制部分反射面等离子体处于反射状态，而另外部分则处于透射状态。图2中A表示起反射作用的阵元，B表示透射状态的阵元。通过控制等离子阵元的状态实现反射面的重构。
在图3中，由微波源产生的电磁波透过等离子体，对电磁波幅度和相位在空间进行调制，形成对地面观测区域辐照。
在图4中，反射式等离子幅相调制天线构型如上图所示。在该种构型下又可设计为两种形式，形式如图4(a)所示，等离子体依抛物面分布，由馈源产生的电磁波经等离子体反射后，形成对地面观测区域辐照。形式二如图4(b)所示，等离子体为面阵结构，电磁波经等离子体面阵反射后，实现对其在辐射空间内的幅度和相位的调制。
在图5中，相控阵结构的反射形式以平行平面波偏置入射等离子阵元所构成的面阵。等离子阵面对其幅度和相位进行调制后形成反射波，并在空间进行加权。
在透射式阵面构型方面可采用单激励源和分布式激励的两种模式。其中单激励源模式如图6所示，仅是采用透射式等离子体对入射信号的幅度或相位进行调制。多源激励如图7所示，主要思路是改造现有相控阵阵元结构，有源微波器件将仅用于微波功率发射，而调相的任务将交给表面敷设的等离子阵元完成。这样系统的复杂度将会大幅降低并且精度获得较大提升。
创新之处：
利用等离子体进行微波空间相位高精度定量调制。通过合理的控制等离子体的激发方式、浓度、理化特性、激励电流和保持电压等要素，对入射的微波波前在空间进行幅度和相位的调制。在建立相应的数学模型基础上进行实验验证，实现利用等里子体对微波波前的高精度定量化调制。

Claims (9)

1.一种基于等离子体的电调相面天线，其特征在于，包括天线本体、等离子部件和调制控制单元，所述的等离子部件安装在天线本体上，并与调谐控制单元连接，通过调制控制单元对等离子部件进行控制实现特定的方向图及波束指向。
2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体的电调相面天线，其特征在于，所述的等离子部件通过天线罩、反射面或等离子微波透镜的方式安装在天线本体上。
3.根据权利要求2所述的一种基于等离子体的电调相面天线，其特征在于，对于等离子部件为反射面时，其安装形式包括：
等离子部件依抛物面分布，由馈源产生的电磁波经等离子部件反射后，形成对地面观测区域辐照；
或者等离子部件为面阵结构，电磁波经等离子部件面阵反射后，实现对其在辐射空间内的幅度和相位的调制。
4.根据权利要求3所述的一种基于等离子体的电调相面天线，其特征在于，所述的面阵结构等离子部件对入射波幅度和相位进行调制后形成反射波，并在空间进行加权。
5.根据权利要求2所述的一种基于等离子体的电调相面天线，其特征在于，反射面的重构通过控制等离子阵元的状态来实现，具体为：
将等离子体加工成反射面单元，镶嵌构成反射面，通过激励控制部分反射面单元处于反射状态，而其余部分则处于透射状态，实现反射面的重构。
6.根据权利要求2所述的一种基于等离子体的电调相面天线，其特征在于，对于等离子部件为等离子微波透镜时，采用等离子透射式调相阵面，具体为：
由微波源产生的电磁波透过等离子透射式调相阵面，对电磁波幅度和相位在空间进行调制，形成对地面观测区域辐照。
7.根据权利要求6所述的一种基于等离子体的电调相面天线，其特征在于，所述的等离子透射式调相阵面采用单激励源或分布式激励方式。
8.根据权利要求7所述的一种基于等离子体的电调相面天线，其特征在于，所述的单激励源具体为：仅采用透射式等离子体对入射信号的幅度或相位进行调制。
9.根据权利要求7所述的一种基于等离子体的电调相面天线，其特征在于，所述的分布式激励具体为：将有源微波器件仅用于微波功率发射，而调相的任务将交给表面敷设的等离子阵元完成。
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