CN105932404B - 等离子体柔性天线系统 - Google Patents

Abstract

一种等离子体柔性天线系统，包含射频表面波等离子体激励系统、天线主体、馈电系统和控制组件，射频表面波等离子体激励系统采用电感耦合激励模式来对天线主体进行激励，激励电源输出可调节的激励信号来产生和维持表面波等离子体，天线主体其形状可调节，以改变天线的特征参数，实现快速重构，馈电系统采用电容耦合信号馈电模式将通信信号馈入柔性天线，控制系统可实现对柔性天线形状的调节。本发明不仅可以提升天线系统强度，增加天线体柔韧性，解决了传统等离子体线天线易碎的问题，防止天线损坏，也可以通过改变天线形状和气体放电状态，实现天线阻抗、方向性、极化、带宽、增益等特性，拓宽等离子体天线可重构范围。

Description

等离子体柔性天线系统

技术领域

本发明涉及气体放电与无线通讯应用技术领域，尤其涉及一种基于电感耦合激励模式的表面波等离子体柔性天线系统。

背景技术

在现代化军事战争对武器装备的要求越来越高的现实基础上，打击精度、攻击范围与生存能力成为武器研究的主要方向。就武器的生存能力而言，为提高武器装备在作战过程中的安全性，就必须采取先进的隐身技术。

隐身技术作为最重要、最有效的突防战术技术手段，仍需要不断改进以实现现代化武器装备强大的“生命力”。在诸多隐身技术实现方法中，通过改变武器装备外形或表面涂有吸波材料已可多见。即使如此，实现天线隐身仍是一个难题。相控阵天线是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。它可以实现天线隐身，但各个振子之间产生的强烈耦合效应使其设计难度加大，并且过高的加工成本也是阻碍其发展的瓶颈。

等离子体是由大量带负电的自由电子、带正电的离子组成的宏观上呈现电中性的非凝聚系统。科学技术的不断进步使得等离子体在国民经济中的应用越来越广泛，等离子体天线、等离子体滤波是研究热点。等离子体天线是利用等离子体代替金属天线元进行通信的射频天线。由于等离子体特殊的性质，等离子体天线具有隐身性能、质量轻、可重构性、互耦效应低等优点。

因此，等离子体天线由于其潜在的军用、民用价值而备受关注。目前国内所研发的等离子体天线有柱形表面波等离子体天线、电控八木等离子体天线、激光等离子体天线、同轴线激励等离子体天线、微波等离子体天线等等。天线的形状基本以柱形、线状、八木等为主，形状较为单一。虽然通过改变等离子体电子温度、电子密度等内部参数，可在一定范围内改变天线的阻抗、方向性、带宽等特性，但改变天线参数不应仅通过调节等离子体的内部参量。实际上，天线耦合模式和天线形状都可以改变天线特性参数。更关键的是，传统等离子体天线放电管腔体的材质为硬质钢化玻璃或石英管，碰撞时容易破碎，再者等离子体天线的极化特性难以转换。目前所研制的天线，主要是线极化天线，只能接收线极化电磁波。它对于其他极化电磁波容易产生极化失配，而圆极化天线可以接收任意极化的电磁波。因此，我们亟需从增加天线强度、扩大天线可重构性范围等方面进行考虑，构建新型等离子体天线。

发明内容

本发明提供一种等离子体柔性天线系统，不仅可以提升天线系统强度，增加天线体柔韧性，解决了传统等离子体线天线易碎的问题，防止天线损坏，也可以通过改变天线形状和气体放电状态，实现天线阻抗、方向性、极化、带宽、增益等特性，拓宽等离子体天线可重构范围。

为了达到上述目的，本发明提供一种等离子体柔性天线系统，包含射频表面波等离子体激励系统、天线主体、馈电系统和控制组件，所述的射频表面波等离子体激励系统采用电感耦合激励模式来对天线主体进行激励，激励电源输出可调节的激励信号来产生和维持表面波等离子体，所述的天线主体其形状可调节，以改变天线的特征参数，实现快速重构，所述的馈电系统采用电容耦合信号馈电模式将通信信号馈入柔性天线，所述的控制组件可实现对柔性天线形状的调节。

所述的射频表面波等离子体激励系统包含：射频表面波激励源、安装在射频表面波激励源上的反射功率计、通过耐高温同轴线电性连接射频表面波激励源的阻抗匹配网络、以及电性连接阻抗匹配网络的电感耦合器；

所述的射频表面波激励源采用电感耦合激励模式输出可调节的激励信号，所述的反射功率计实现射频表面波激励源的输出端口和电感耦合器的输入端口之间的阻抗匹配，所述的电感耦合器将射频表面波激励源发出的电磁波能量耦合到天线主体中。

所述的天线主体包含：天线底座、固定设置在天线底座上的耐高温石英放电管、以及机械连接耐高温石英放电管和馈电系统的等离子体放电管；

所述的耐高温石英放电管上套设电感耦合器，耐高温石英放电管

承受电感耦合时产生的高热量；

所述的等离子体放电管采用柔性、高强度、耐高压硅胶管，可通过弯曲、旋转改变成不同形状；

在受到电磁波激励时，耐高温石英放电管和等离子体放电管中都产生表面波等离子体。

所述的耐高温石英放电管的一端封闭，另一端敞开，封闭端插入天线底座内部，敞开端机械连接等离子体放电管。

所述的等离子体放电管的一端封闭，另一端敞开，敞开端端机械连接耐高温石英放电管，封闭端机械连接馈电系统。

所述的耐高温石英放电管和等离子体放电管衔接处采用高气密性材质密封。

所述的馈电系统包含：裹附在等离子体放电管的封闭端上的电容耦合套环、包覆在电容耦合套环外部并电性连接电容耦合套环的金属屏蔽盒、通过同轴线电性连接金属屏蔽盒的高通滤波器、以及电性连接高通滤波器的信号收发机；

所述的电容耦合套环对等离子体放电管进行馈电，将通信信号馈入和馈出等离子体放电管，所述的金属屏蔽盒用于降低电容耦合套环产生的辐射，所述的高通滤波器滤除由射频表面波激励源发出的激励信号，防止大功率激励信号损坏信号收发机。

所述的金属屏蔽盒上具有射频端子，射频端子的内芯通过金属导线电性连接电容耦合套环，射频端子的外层金属连接金属屏蔽盒，并同时接地，射频端子通过同轴线电性连接高通滤波器。

所述的控制组件包含：转台、机械连接转台的转轴、设置在转轴上并可沿转轴进行横向和纵向运动的若干固定套环、以及计算机控制单元；

所述的计算机控制单元控制转台的旋转方向和转速，并且控制固定套环沿转轴运动，所述的转台带动转轴旋转，所述的固定套环套在等离子体放电管上，用于调节和固定等离子体放电管的形状。

所述的转轴为可更换组件，材质为绝缘材料，且具有不同的半径和形状。

本发明依据射频表面波激励等离子体技术原理、天线可重构原理、阻抗匹配原理及自动控制原理，并且结合高强度耐高温柔性介质材料、电感耦合激励模式和电容耦合信号馈电模式来构建电感耦合激励模式的表面波等离子体柔性天线，天线激励模式采用电感耦合表面波激励模式，产生的等离子体电子密度相对电容耦合激励模式略高，等离子体对电磁波损耗较小，天线增益相对较高，而通信信号馈电模式采用电容耦合模式，该模式在频带宽度方面有一定的优势，天线材料采用高强度耐高温柔性介质材料，实现了天线的形状可调，该天线不仅可以提升天线系统强度，增加天线体柔韧性，解决了传统等离子体线天线易碎的问题，防止天线损坏，也可以通过改变天线形状和气体放电状态，实现天线阻抗、方向性、极化、带宽、增益等特性，拓宽等离子体天线可重构范围，在实现快速重构的同时也实现了线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间的极化转换。

附图说明

图1是本发明提供的等离子体柔性天线系统的结构示意图。

图2～图4是利用耐高压柔性等离子体放电管构建的各种形状的天线的示意图。

图5是等离子体柔性天线在单极子天线形状下阻抗带宽示意图。

图6是等离子体柔性天线在法相模螺旋天线形状时的阻抗特性示意图。

图7是等离子体柔性天线在轴向模螺旋天线时的方向图极化特性示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图7，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种等离子体柔性天线系统，包含射频表面波等离子体激励系统、天线主体、馈电系统和控制组件，所述的射频表面波等离子体激励系统采用电感耦合激励模式来对天线主体进行激励，激励电源输出可调节的激励信号来产生和维持表面波等离子体，所述的天线主体其形状可调节，以改变天线的特征参数，实现快速重构，所述的馈电系统采用电容耦合信号馈电模式将通信信号馈入柔性天线，所述的控制组件可实现对柔性天线形状的调节。所述的射频表面波等离子体激励系统包含：射频表面波激励源1、安装在射频表面波激励源1上的反射功率计(图中未显示)、通过耐高温同轴线2电性连接射频表面波激励源1的阻抗匹配网络3、以及电性连接阻抗匹配网络3的电感耦合器4。

所述的射频表面波激励源1输出激励信号来产生和维持表面波等离子体，本实施例中，射频表面波激励源1可输出激励频率为13.56、27.12和40.68MHz，功率为0-500W的激励信号，要求发射的激励信号频率在13.56-40.68MHz之间，最大发射功率大于30W，通过调节射频表面波激励源1的放电功率，可以在一定范围内调节等离子体柔性天线的阻抗、带宽、增益等参量，激励信号通道采用耐高温同轴线2，防止射频产生的热量烧坏同轴线中的介质，反射功率计用来测量电感耦合器4的输入端口返回射频表面波激励源1输出端口的功率，如果反射的功率超过发射功率40％会发生报警，通过调节阻抗匹配网络3，使安装在射频表面波激励源1上的反射功率计读数为0，可实现射频表面波激励源1的输出端口和电感耦合器4的输入端口之间的阻抗匹配，电感耦合器4将射频表面波激励源1发出的电磁波能量耦合到等离子体天线中，本实施例中，电感耦合器4采用空心硬质铜管加工成的电感线圈，铜管外径为5mm，内径为4mm，线圈直径为20mm，匝数2-5匝(线圈匝数超过5匝会产生较大的电阻损耗，线圈匝数低于2匝则难以实现良好匹配)。

所述的天线主体包含：天线底座5、固定设置在天线底座5上的耐高温石英放电管6、以及机械连接耐高温石英放电管6的等离子体放电管7。等离子体放电管7采用柔性、高强度、耐高压硅胶管，可通过弯曲、旋转改变成不同形状。耐高温石英放电管6的一端封闭，另一端敞开，封闭端插入天线底座5内部，敞开端与等离子体放电管7相衔接，等离子体放电管7的一端封闭，另一端敞开，敞开端机械连接耐高温石英放电管6，封闭端机械连接馈电系统。由于电感耦合时产生非常高的热量，等离子体放电管7容易被烧坏，因此激励端采用耐高温石英放电管6，当激励电源激励耐高温石英放电管6时，通过调节匹配网络，耐高温石英放电管6和等离子体放电管7内均充有等离子体，都会产生等离子体，为确保耐高温石英放电管6和等离子体放电管7衔接处的气密性，衔接处采用高气密性材质密封。

本实施例中，耐高温石英放电管6管长为50mm，外径13mm，内径12mm，封闭端插入天线底座5内部10mm，耐高温石英放电管6可以耐得住射频激励电磁波信号产生的高温，等离子体放电管7的内径为12mm，外径为15mm，等离子体放电管7可承受很高的负压，在5Pa以上可保持放电管原来的形状，由于等离子体放电管7具有一定的柔性，可按通信需求改变放电管形状。

所述的馈电系统包含：裹附在等离子体放电管7的封闭端上的电容耦合套环9、包覆在电容耦合套环9外部并电性连接电容耦合套环9的金属屏蔽盒8、通过同轴线电性连接金属屏蔽盒8的高通滤波器10、以及电性连接高通滤波器10的信号收发机11，电容耦合套环9对等离子体放电管7进行馈电，将通信信号馈入和馈出等离子体放电管7，金属屏蔽盒8用于降低电容耦合套环9产生的辐射，高通滤波器10滤除由射频表面波激励源1发出的激励信号，防止大功率激励信号损坏信号收发机11，以保证信号收发机11的正常工作。

所述的金属屏蔽盒8上具有射频端子，射频端子的内芯通过金属导线电性连接电容耦合套环9，射频端子的外层金属连接金属屏蔽盒8，并同时接地，射频端子通过同轴线电性连接高通滤波器10。

本实施例中，所述的电容耦合套环9由金属铜制成，宽度为2-3cm，所述的金属屏蔽盒8由铸铝制成，所述的信号收发机11的通信频率100-500MHz。

所述的控制组件包含：转台12、机械连接转台12的转轴13、设置在转轴13上并可沿转轴13运动的若干固定套环14、以及计算机控制单元15；计算机控制单元15控制转台12的旋转方向和转速，并且控制固定套环14沿转轴13进行横向和纵向运动，所述的转台12带动转轴13旋转，所述的转轴13为可更换组件，材质为绝缘材料，且根据需要改变不同的半径和形状的转轴，如柱形转轴和方形转轴等，所述的固定套环14套在等离子体放电管7上，用于调节和固定等离子体放电管7的形状。

所述的等离子体放电管7可以被调节成不同形状的天线，例如：线形、环形、螺旋形和倒V形等等。如图2所示，耐高压柔性等离子体放电管被固定套环14限制为柱形形状，如图3所示，耐高压柔性等离子体放电管被固定套环14限制为方环形形状，如图4所示，通过旋转转轴将耐高压柔性等离子体放电管缠绕在转轴上，可以形成螺旋形的天线。改变转轴半径可实现轴向模螺旋天线与法向模螺旋天线之间的转换，根据金属螺旋天线原理，当螺旋天线螺旋周长c的数值与通信信号波长相当时，该螺旋天线为轴向模螺旋天线，当螺旋天线螺旋周长远小于通信信号波长时，该螺旋天线为法相模螺旋天线。通过改变转轴的旋转方向可改变螺旋天线的极化特性，实现左旋圆极化与右旋圆极化之间的转换。

图5给出了利用网络分析仪测量等离子体柔性天线在单极子天线形状下，激励功率为50W时，等离子体柔性天线的阻抗带宽。其中，横坐标为信号频率，纵坐标为驻波比。当等离子体柔性天线为柱形时，天线驻波比小于2所对应的频率范围为210～370MHz，此时单极子天线长度为1m。通过调节加载天线的激励源放电功率，可以在一定范围内调节柔性等离子体天线的阻抗带宽、增益等参量。

图6所示的是改变等离子体柔性天线形状为法相模螺旋天线形状时，等离子体柔性天线的阻抗特性。其中，横坐标为信号频率，纵坐标为驻波比。可以看出，天线的驻波比在150～300MHz范围内小于2，此时螺旋天线的轴向长度为0.46m，说明将等离子体柔性天线改为法相模螺旋天线时，天线的轴向长度可以缩短，这样既可以降低通信频率，也能使天线长度不致过长。

图7所示的是改变等离子体柔性天线形状为轴向模螺旋天线时，等离子体柔性天线的方向图极化特性，图中的径向坐标为天线沿不同方向的增益，单位dB。此时等离子体柔性天线的通信频带为200MHz，可以看出，该天线具有右旋圆极化特性，通过调节转轴的半径和转向，可调节天线的辐射方向及极化特性。

本发明依据射频表面波激励等离子体技术原理、天线可重构原理、阻抗匹配原理及自动控制原理，并且结合高强度耐高温柔性介质材料、电感耦合激励模式和电容耦合信号馈电模式来构建电感耦合激励模式的表面波等离子体柔性天线，天线激励模式采用电感耦合表面波激励模式，产生的等离子体电子密度相对电容耦合激励模式略高，等离子体对电磁波损耗较小，天线增益相对较高，通信信号馈电采用电容耦合馈电模式，该模式带宽较宽，利于天线匹配。天线材料采用高强度耐高温柔性介质材料，实现了天线的形状可调，该天线不仅可以提升天线系统强度，增加天线体柔韧性，解决了传统等离子体线天线易碎的问题，防止天线损坏，也可以通过改变天线形状和气体放电状态，实现天线阻抗、方向性、极化、带宽、增益等特性，拓宽等离子体天线可重构范围，在实现快速重构的同时也实现了线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间的极化转换。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种等离子体柔性天线系统，其特征在于，包含射频表面波等离子体激励系统、天线主体、馈电系统和控制组件，所述的射频表面波等离子体激励系统采用电感耦合激励模式来对天线主体进行激励，激励电源输出可调节的激励信号来产生和维持表面波等离子体，所述的天线主体其形状可调节，以改变天线的特征参数，实现快速重构，所述的馈电系统采用电容耦合信号馈电模式将通信信号馈入柔性天线，所述的控制组件可实现对柔性天线形状的调节；

所述的射频表面波等离子体激励系统包含：射频表面波激励源(1)、安装在射频表面波激励源(1)上的反射功率计、通过耐高温同轴线(2)电性连接射频表面波激励源(1)的阻抗匹配网络(3)、以及电性连接阻抗匹配网络(3)的电感耦合器(4)；

所述的射频表面波激励源(1)采用电感耦合激励模式输出可调节的激励信号，所述的反射功率计实现射频表面波激励源(1)的输出端口和电感耦合器(4)的输入端口之间的阻抗匹配，所述的电感耦合器(4)将射频表面波激励源(1)发出的电磁波能量耦合到天线主体中；

所述的天线主体包含：天线底座(5)、固定设置在天线底座(5)上的耐高温石英放电管(6)、以及机械连接耐高温石英放电管(6)和馈电系统的等离子体放电管(7)；

所述的耐高温石英放电管(6)上套设电感耦合器(4)，耐高温石英放电管(6)承受电感耦合时产生的高热量；

所述的等离子体放电管(7)采用柔性、高强度、耐高压硅胶管，可通过弯曲、旋转改变成不同形状；

在受到电磁波激励时，耐高温石英放电管(6)和等离子体放电管(7)中都产生表面波等离子体。

2.如权利要求1所述的等离子体柔性天线系统，其特征在于，所述的耐高温石英放电管(6)的一端封闭，另一端敞开，封闭端插入天线底座(5)内部，敞开端与等离子体放电管(7)相衔接。

3.如权利要求1所述的等离子体柔性天线系统，其特征在于，所述的等离子体放电管(7)的一端封闭，另一端敞开，敞开端机械连接耐高温石英放电管(6)，封闭端机械连接馈电系统。

4.如权利要求3所述的等离子体柔性天线系统，其特征在于，所述的耐高温石英放电管(6)和等离子体放电管(7)衔接处采用高气密性材质密封。

5.如权利要求4所述的等离子体柔性天线系统，其特征在于，所述的馈电系统包含：裹附在等离子体放电管(7)的封闭端上的电容耦合套环(9)、包覆在电容耦合套环(9)外部并电性连接电容耦合套环(9)的金属屏蔽盒(8)、通过同轴线电性连接金属屏蔽盒(8)的高通滤波器(10)、以及电性连接高通滤波器(10)的信号收发机(11)；

所述的电容耦合套环(9)对等离子体放电管(7)进行馈电，将通信信号馈入和馈出等离子体放电管(7)，所述的金属屏蔽盒(8)用于降低电容耦合套环(9)产生的辐射，所述的高通滤波器(10)滤除由射频表面波激励源(1)发出的激励信号，防止大功率激励信号损坏信号收发机(11)。

6.如权利要求5所述的等离子体柔性天线系统，其特征在于，所述的金属屏蔽盒(8)上具有射频端子，射频端子的内芯通过金属导线电性连接电容耦合套环(9)，射频端子的外层金属连接金属屏蔽盒(8)，并同时接地，射频端子通过同轴线电性连接高通滤波器(10)。

7.如权利要求6所述的等离子体柔性天线系统，其特征在于，所述的控制组件包含：转台(12)、机械连接转台(12)的转轴(13)、设置在转轴(13)上并可沿转轴(13)进行横向和纵向运动的若干固定套环(14)、以及计算机控制单元(15)；

所述的计算机控制单元(15)控制转台(12)的旋转方向和转速，并且控制固定套环(14)沿转轴(13)运动，所述的转台(12)带动转轴(13)旋转，所述的固定套环(14)套在等离子体放电管(7)上，用于调节和固定等离子体放电管(7)的形状。

8.如权利要求7所述的等离子体柔性天线系统，其特征在于，所述的转轴(13)为可更换组件，材质为绝缘材料，且具有不同的半径和形状。