CN104573271A - 一种参数可变的精确等离子体天线辐射性能仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种参数可变的精确等离子体天线性能仿真方法，从而可以对等离子体天线辐射性能与等离子体物理特性之间的关系进行详细分析，继而提高模拟精。首先，根据所需设计天线的体制和工作频段，确定天线的物理模型及天线的入射电磁波频率，代入Drude色散方程，并以等离子体相对介电常数的值能够表征导电性作为限制，计算获得等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v；采用CST软件建立天线模型，天线材料采用色散模型，并利用上述ω_pe和v设置色散模型参数，然后启动仿真，获得天线辐射性能结果；最终查看天线辐射性能结果，判断结果是否满足需求，如果不满足要求，则重新确定一组参数重复上述步骤。

Description

一种参数可变的精确等离子体天线辐射性能仿真方法

技术领域

本发明涉及等离体天线仿真技术领域，尤其涉及一种参数可变的精确等离子体天线性能仿真方法。

背景技术

等离子体(Plasma)是由大量带电粒子组成的非束缚态宏观体系，它包含自由电子、自由离子，也可能存在中性粒子，是继固、液、气三态后的第四种物质存在形态，是一种处于电离状态的物质高能聚集态。通常在这种凝聚态中电子所带负电荷与离子所带正电荷的总数相等，宏观上呈现中性，因而称为等离子体。等离子体是宇宙空间中普遍存在的一种物质形态，它们对电磁波的传播有着较大的影响。在一定的条件下，等离子体能反射电磁波；在另一种条件下，它又能吸收电磁波。

等离子体天线是采用等离子体代替普通金属传导和辐射电磁波的天线，利用等离子体对一定频率的电磁波呈现良导体特性而制成。由于采用等离子体作为天线材料，等离子体的密度、碰撞频率等参数都可以动态进行调整。这样可使天线阻抗、带宽、方向图、辐射功率在较宽范围内动态改变。

基于等离子体天线在实际应用中的需求，开展等离子体天线的仿真，尤其是通过仿真得到等离子体参数与天线性能的关系，将为等离子体天线技术的应用打下理论基础。

因等离子体属于特殊材料，在仿真等离子体天线时，需考虑如何解决该特殊材料的设置才能使得仿真中的等离子体与实际中的等离子体的性质最相似，从而得到最精确的天线性能仿真结果。

一种典型的仿真方法是：使用金属来替代等离子体进行等离子天线的建模，模拟等离子体天线的工作特性。但等离子体的介电常数在某个工作频段上并不是固定不变的，因此用金属来替代等离子体误差较大。

另一种典型的仿真方法是：根据所需工作频率，选择能够反映该工作频率的与频率相关的材料来替代等离子体进行等离子天线的建模；但是某种材料对应的频率为一个频段，因此几个工作频率可能对应同一种材料，而不是一个工作频率对应一种材料，因此频率与介电常数不是连续变化的，而是在频率连续变化的情况下介电常数呈阶梯状变化，从而导致模拟精度不高，仍具有一定误差。

总而言之，目前的仿真方法还存在以下几个方面的不足：

(1)等离子体天线仿真结果不精确，误差较大。

(2)等离子体参数是固定的、不可随频率变化，或仅能在某些频点离散变化，不能很好的反映等离子体的特殊性质。

发明内容

有鉴于此，为了解决因等离子体特殊的物理特性而造成的等离子体天线仿真困难的问题，提出一种参数可变的精确等离子体天线仿真方法，从而可以对等离子体天线辐射性能与等离子体物理特性之间的关系进行详细分析，继而提高模拟精度。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种参数可变的等离子体天线性能仿真方法，包括：

步骤一、根据所需设计天线的体制和工作频段，确定天线的物理模型及天线的入射电磁波频率ω；

步骤二、利用所述天线的入射电磁波频率ω代入Drude色散方程，并以等离子体相对介电常数ε_r的值能够表征导电性作为限制，计算获得等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v；

步骤三、采用三维电磁场仿真CST软件，建立天线模型：

本步骤中，根据所述天线的物理模型在CST软件中以绘图方式确定天线尺寸，将等离子体材料等价于色散材料，则天线材料选择CST软件中提供的色散模型，根据步骤二确定的等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v的值进行色散模型中等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v这两个参数的设定，色散模型中的其他参数置空；

步骤四、在CST软件中设置天线的工作频段参数、辐射边界后，启动仿真，获得天线辐射性能仿真结果，包括S11曲线、E面和H面方向图及三维增益方向图；

步骤五、查看天线辐射性能结果，判断结果是否满足需求：如果不满足要求，则返回步骤二重新确定一组等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v参数，并执行步骤三～五；如果满足要求，结束当前参数下的仿真。

优选地，在步骤五判定满足要求时，进一步多次改变等离子体频率和等离子体碰撞频率，从而改变等离子体的性质，查看不同情况下的天线辐射性能。

优选地，所述多次改变等离子体频率和等离子体碰撞频率的顺序为：先保持等离子体频率不变，改变等离子体碰撞频率，重复步骤三～四，记录增益仿真结果，获得等离子体频率不变时等离子体碰撞频率的变化趋势；接着，保持等离子体碰撞频率不变，改变等离子体天线的等离子体频率，重复步骤三～四，记录增益仿真结果，获得等离子体碰撞频率不变时等离子体频率的变化趋势；

根据所仿真结果找到满足性能要求的最优组合。

本发明方法，对比已有技术，能够较好的实现等离子体材料的模拟，更好地得出等离子体天线辐射特性。

(1)仿真的结果更加准确，对实际应用有指导性作用。

(2)等离子体的参数可变，能够更好的模拟等离子体的性质，并得到不同的等离子体参数下的等离子体天线辐射性能。

附图说明

图1为本发明实施方式的流程图。

图2为等离子体柱状天线结构图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种参数可变的精确等离子体天线仿真方法，首先等离子体进行分析，确定了采用有限个表征参数表达等离子体的方式并抽象出影响等离子变化的两个影响参数——等离子体频率和等离子体碰撞频率。基于该影响参数，利用介电常数求解公式，计算出所需工作频率下满足等离子体为良导体时的一组表达参数；基于该影响参数计算等离子体的表征参数，继而进行等离子体的建模，基于等离子体建模进行等离子天线的仿真。通过变化影响参数进行多次仿真，找到优选的等离子天线所需等离子体的方案。

首先，确定表征参数和影响参数。

等离子体可通过电离低压气体得到，且等离子体作为一种特殊的介质满足式(1)的Drude色散方程，其中，ε_r是等离子体相对介电常数，ω是入射电磁波频率。ω_pe是等离子体频率，v是等离子体碰撞频率。

${\mathrm{\ϵ}}_r=1-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pe}}^2}{{\mathrm{\ω}}^2+v^2}-j\frac{v}{\mathrm{\ω}}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pe}}^2}{{\mathrm{\ω}}^2+v^2}---\left(1\right)$

当等离子体中电子浓度足够大时，等离子体表现出良好的导电性，可有效充当天线的辐射单元。根据公式(1)和德拜方程，下式给出了等离子体电导率σ与等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v之间的关系。ε₀为真空介电常数。

$\mathrm{\σ}={\mathrm{\ϵ}}_0\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2}{v}---\left(2\right)$

当等离子体频率ω_pe一定时，等离子体电导率σ与等离子体碰撞频率v成反比关系，等离子体碰撞频率v越低，等离子体电导率σ越大。当等离子体碰撞频率v一定时，等离子体电导率σ和等离子体频率ω_pe成二次方的关系。

上文中提到的公式(1)又称为Drude色散方程。德拜介质可用式(3)所示的介电常数来表示

${\mathrm{\ϵ}}_r={\mathrm{\ϵ}}_{\∞}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s-{\mathrm{\ϵ}}_{\∞}}{1+{\mathrm{j\ωt}}_0}={\mathrm{\ϵ}}_{\∞}+\mathrm{\χ}\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(3\right)$

ε_∞为无限大频率处介电常数，ε_s为等效介电常数，t₀为弛豫时间；

将公式(1)展开后可以得到等式(4)，将等式(4)和等式(3)比较可知等式(4)等价于(5)：

${\mathrm{\ϵ}}_r+1+\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2}{\mathrm{\ω}(\mathrm{jv}-\mathrm{\ω})}=1-\frac{{({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pe}}/v)}^2}{1+\mathrm{j\ω}/v}+\frac{({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pe}}^2/v)}{\mathrm{j\ω}}$

${\mathrm{\ϵ}}_r={\mathrm{\ϵ}}_{\∞}+\mathrm{\χ}\left(\mathrm{\ω}\right)+\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{j\ωt}}_0}---\left(5\right)$

式(5)中，

ε_∞＝1 (6)

$\mathrm{\χ}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\frac{{({\mathrm{\ω}}_p/v)}^2}{1+\mathrm{j\ω}/v}---\left(7\right)$

比较得：

${\mathrm{\ϵ}}_s-{\mathrm{\ϵ}}_{\∞}=-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{v}\right)}^2---\left(8\right)$

$t_0=\frac{1}{v}---\left(9\right)$

从上述推导过程可知，等离子体的性质由电导率σ(conductivity)、等效介电常数ε_s(relative static permittivity)、无限大频率处介电常数ε_∞(infinite frequencyrelative permittivity)和弛豫时间t₀(relaxation time)这四个参数来确定，这四个参数定义为表征参数。而这四个参数由等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v来决定，将等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v定义为影响参数。

因此，可选取一种等离子体天线，确定其工作频率(即入射电磁波频率ω)和物理尺寸后，通过改变其等离子体频率ω_pe、等离子体碰撞频率v这两个参数来改变等离子体的物理特性，从而得到不同等离子体物理特性下的等离子体天线辐射性能。

基于上述分析，本发明参数可变的精确等离子体天线仿真方法的具体实现步骤包括：

步骤一、根据所需设计天线的体制(柱状天线、抛物面型天线、巴木天线)和工作频段，确定天线的物理模型及天线的入射电磁波频率ω。

步骤二、根据公式(1)或(4)得出在工作频段内能够使等离子体天线正常工作的等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v。

本步骤中，根据公式(1)或(4)，将步骤一确定的天线的入射电磁波频率ω代入后，以ε_r的值能够表征导电性作为限制，选取一对影响参数，包括等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v。

步骤三、采用三维电磁场仿真(CST)软件，建立天线模型：以绘图方式确定天线尺寸，天线材料选择色散材料；由于CST软件中提供的色散材料具有等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v这两个参数，因此可以采用其等价于等离子体，在设定时，根据步骤二确定的等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v的值进行色散材料的参数设定，色散材料中的其他参数置空。

步骤四、在软件中设置天线的工作频段参数、辐射边界后，启动仿真，可得天线辐射性能结果，包括S11曲线、E面和H面方向图及三维增益方向图。

步骤五、查看天线辐射性能结果，判断结果是否满足需求。

如果不满足要求，则返回步骤二重新确定一组参数，并执行步骤三～五。

如果满足要求，可以结束当前参数下的仿真。也可以多次改变等离子体频率和等离子体碰撞频率，从而改变等离子体的性质，查看不同情况下的天线辐射性能。具体来说：先保持等离子体频率不变，改变等离子体碰撞频率，重复步骤三～四，记录增益仿真结果，并对多次仿真结果进行对比分析。接着，再保持等离子体碰撞频率不变，改变等离子体天线的等离子体频率，重复步骤三～四，记录增益仿真结果，并对多次仿真结果进行对比分析。

利用上述分析结果，可以获得一个等离子体频率不变时等离子体碰撞频率的变化趋势，以及等离子体碰撞频率不变时等离子体频率的变化趋势，从而找到满足性能要求的最优组合。如果都没有符合要求的则重新选取两个参数。

自此，就完成了等离子体天线辐射性能的仿真。

下面举一个实例对本发明进行说明。其具体步骤包括：

步骤一、确定天线的物理模型及其工作频率等基本参数。

在本实施例中，根据应用需要，选定天线工作频率为470MHz，考虑在中心频率处天线长度为四分之一工作波长，所以选取天线长度为L＝160mm，因而确定等离子柱体长度L＝160mm。在CST中建立柱状天线模型，天线主要结构如图2所示，天线主要结构为被外层玻璃管罩住的等离子柱体，等离子体采用同轴线馈电，底部为接地金属板。设置参数为：玻璃管厚度d＝2mm，等离子柱体长度L＝160mm，半径R＝5mm；同轴线外径b＝1.6mm，内径a＝0.7mm，同轴线中间介质为空气，此时特性阻抗为50Ω。基板及金属接地板设置大小为45mm×45mm。

步骤二、计算得出在工作频段内能够使等离子体天线正常工作的等离子体频率和等离子体碰撞频率。

在本实施例中，因上文中提到的公式(1)又称为Drude色散方程，所以选择Drude模型，设置等离子体频率ω_pe＝900GHz，等离子体碰撞频率v＝5MHz。

步骤三、设置等离子体频率和等离子体碰撞频率，从而确定等离子体的性质，进行天线仿真。本步骤包含以下几个子步骤：

a)设置边界条件为open，激励端口在同轴线底端，远场监视器频率设置为谐振频率；

b)设定扫频范围为0～2GHz。

c)启动仿真，得到S11曲线、E面和H面方向图及三维增益方向图。

步骤四、查看天线辐射性能结果。可重复步骤三，改变等离子体频率和等离子体碰撞频率，从而改变等离子体的性质，查看不同情况下的天线辐射性能。

a)保持等离子体频率不变，等离子体柱状天线的等离子体碰撞频率。在本实施例中，等离子体频率取值为900GHz，等离子体碰撞频率分别取值为：5MHz、500MHz、5GHz、10GHz。重复步骤三，记录增益仿真结果，并对多次仿真结果进行对比分析，如表1所示。

表1不同v值下的天线增益与效率

v(ωpe＝900GHz)	增益(dB)
		5MHz	4.704
500MHz	4.699
		5GHz	4.651
10GHz	4.607

b)保持等离子体碰撞频率不变，改变等离子体柱状天线的等离子体频率。在本实施例中，等离子体碰撞频率取值为5MHz，等离子体频率分别取值为：900GHz、100GHz、80GHz、50GHz。重复步骤三，记录增益仿真结果，并对多次仿真结果进行对比分析，如表2所示。

表2v＝5MHz时，不同ω_pe下的第一谐振频率处天线增益

ωpe(v＝5MHz)	增益(dB)
		900	4.704
100	4.704
		80	4.703
50	4.674

自此，就完成了等离子体天线辐射性能的仿真。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种参数可变的等离子体天线性能仿真方法，其特征在于，包括：

步骤一、根据所需设计天线的体制和工作频段，确定天线的物理模型及天线的入射电磁波频率ω；

步骤二、利用所述天线的入射电磁波频率ω代入Drude色散方程，并以等离子体相对介电常数ε_r的值能够表征导电性作为限制，计算获得等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v；

步骤三、采用三维电磁场仿真CST软件，建立天线模型：

本步骤中，根据所述天线的物理模型在CST软件中以绘图方式确定天线尺寸，将等离子体材料等价于色散材料，则天线材料选择CST软件中提供的色散模型，根据步骤二确定的等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v的值进行色散模型中等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v这两个参数的设定，色散模型中的其他参数置空；

步骤四、在CST软件中设置天线的工作频段参数、辐射边界后，启动仿真，获得天线辐射性能仿真结果，包括S11曲线、E面和H面方向图及三维增益方向图；

步骤五、查看天线辐射性能结果，判断结果是否满足需求：如果不满足要求，则返回步骤二重新确定一组等离子体频率ω_pe和等离子体碰撞频率v参数，并执行步骤三～五；如果满足要求，结束当前参数下的仿真。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤五判定满足要求时，进一步多次改变等离子体频率和等离子体碰撞频率，从而改变等离子体的性质，查看不同情况下的天线辐射性能。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多次改变等离子体频率和等离子体碰撞频率的顺序为：先保持等离子体频率不变，改变等离子体碰撞频率，重复步骤三～四，记录增益仿真结果，获得等离子体频率不变时等离子体碰撞频率的变化趋势；接着，保持等离子体碰撞频率不变，改变等离子体天线的等离子体频率，重复步骤三～四，记录增益仿真结果，获得等离子体碰撞频率不变时等离子体频率的变化趋势；

根据所仿真结果找到满足性能要求的最优组合。2 -->