CN106025546A - 采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置 - Google Patents

Abstract

采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置，涉及低温等离子体的技术领域，为了解决传统金属导体天线不能同时实现高增益和小型化、等离子体天线增益小且噪声大的问题。金属天线固定在同轴馈电线的底端，同轴馈电线的顶端连接矢量网络分析仪的输出端；真空腔本体的顶端开有进气口和出气口，真空腔本体的底端固定有真空泵组，放电电极缠绕在真空腔本体的侧壁上，真空腔本体内充满工作气体，放电电极的一端接地，放电电极的另一端连接射频功率源的输出端；同轴馈电线的下部和金属天线均固定在真空腔本体内，同轴馈电线的轴心与真空腔本体的中心线重合。本发明的辐射增益高、增益可调、体积小、噪声小，本发明适用于应用天线的场合。

Description

采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置

技术领域

本发明涉及低温等离子体的技术领域，具体涉及采用等离子体调制增强天线电磁辐射的技术。

背景技术

天线作为无线通信系统中发射和接收信号的重要组成部分，天线的性能很大程度上决定着通信系统的优劣，因此对天线性能的优化研究具有重要的现实意义。天线的增益这一重要的特性参数，很大程度上决定了其有效覆盖距离，包括通信距离、侦察距离、干扰距离和测向距离等，在同样的条件下，天线增益越高，覆盖距离就越远，反之覆盖距离就越近。

为了提高天线增益，传统的方法是利用阵列天线和大口径的反射面天线来实现，在通信系统中这些方法已经取得了广泛的应用。普通的印刷天线的单元组阵可以实现较高的增益特性，但是这不仅要克服影响天线整体性能的互耦问题，而且还需要设计非常复杂的馈电网络设计，并且具有较大的损耗。反射面天线同样拥有高增益的特点，其尺寸一般为十几甚至几十个波长，虽然可以实现高增益高效率特性，但其较大的尺寸使其在战争中极易被发现，这一劣势限制了它的应用。因此在保持较高增益的前提下，如何使天线的结构更加简单，并且实现小型化是值得关注且亟待解决的问题。特别是随着卫星、飞行器、战车、舰船等移动性作战平台的发展，对无线通信与电子系统的小型化、集成化要求日益提高，以机载天线为例，由于飞行器上用于安装天线的空间受到严格的限制，通常对天线的尺寸与形状都会有明确的要求和限制，天线小型化技术面临着天线增益有限、灵敏度和分辨率低等问题，在众多现实条件的限制下，为了在天线小型化的基础上提高天线增益，需要付出高昂的成本和巨大的代价，并且常常达不到理想的效果，因此通过特殊技术手段来提高天线增益对于促进无线通信技术的发展以及满足特殊军事战略需求等方面具有重要意义。

近年来，等离子体科学与技术研究的不断深入促进了等离子体技术在无线通信领域的蓬勃发展。比较有代表性的工作是等离子体天线技术，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。从现在的发展来看，等离子体天线还存在两个主要的缺点。首先，与金属天线相比，等离子体天线的增益较小，覆盖能力相对有限；其次，由于等离子体天线依靠等离子体来收发电磁信号，受等离子体中电子热运动的影响，因此天线的噪声较大。这两个方面是影 响等离子体天线应用的主要因素，也是当前等离子体天线研究的关键问题。

发明内容

本发明是为了解决传统金属导体天线不能同时实现高增益和小型化、等离子体天线增益小且噪声大的问题，从而提供采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置。

本发明所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置，包括小型化全向型天线系统和等离子体调制增强电磁辐射系统；

小型化全向型天线系统包括金属天线、同轴馈电线和矢量网络分析仪；

金属天线固定在同轴馈电线的底端，同轴馈电线的顶端连接矢量网络分析仪的输出端；

等离子体调制增强电磁辐射系统包括真空腔室、放电电极和射频功率源；

真空腔室包括真空腔本体和真空泵组，真空腔本体的顶端开有进气口和出气口，真空腔本体的底端固定有真空泵组；

放电电极缠绕在真空腔本体的侧壁上，真空腔本体内充满工作气体，放电电极的一端接地，放电电极的另一端连接射频功率源的输出端；

同轴馈电线的下部和金属天线均固定在真空腔本体内，同轴馈电线的轴心与真空腔本体的中心线重合。

本发明的有益效果是：(1)相比于介质覆盖或者介质透镜法等增强天线电磁辐射的方式，通过等离子体调制增强电磁辐射装置，使得天线在相同发射功率下，天线的辐射增益可以得到提高，增益值达到几分贝至几十分贝；(2)相比于利用阵列天线和大口径的反射面天线，本发明中采用等离子体调制增强的方式可有效减少天线体积，减少雷达散射截面，降低被敌方发现的可能性；(3)相比于等离子体天线，本发明保留了传统金属导体天线或者印刷电路板天线的低噪声、高增益等优势，并且本发明进一步提高了天线增益；(4)等离子体调制增强天线电磁辐射系统可根据天线实际工作需求随时关闭和开启；(5)通过控制射频功率源，可随意调节采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置的增益值；(6)等离子体调制增强电磁辐射装置产生的等离子体对于敌方探测电磁波信号具有吸收、散射作用，可以一定程度的减少天线的雷达散射截面，实现天线隐身功能。

本发明适用于应用天线的场合。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的 装置的结构示意图；

图2是具体实施方式九中的不同放电功率下小型化全向型天线的增益曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置，包括小型化全向型天线系统和等离子体调制增强电磁辐射系统；

小型化全向型天线系统包括金属天线1、同轴馈电线2和矢量网络分析仪3；

金属天线1固定在同轴馈电线2的底端，同轴馈电线2的顶端连接矢量网络分析仪3的输出端；

等离子体调制增强电磁辐射系统包括真空腔室、放电电极4和射频功率源5；

真空腔室包括真空腔本体6和真空泵组9，真空腔本体6的顶端开有进气口7和出气口8，真空腔本体6的底端固定有真空泵组9；

放电电极4缠绕在真空腔本体6的侧壁上，放电电极4的一端接地，放电电极4的另一端连接射频功率源5的输出端；

同轴馈电线2的下部和金属天线1均固定在真空腔本体6内，同轴馈电线2的轴心与真空腔本体6的中心线重合。

等离子体调制增强电磁辐射系统，能够使得真空腔室内部产生等离子，放电电极4和射频功率源5组成放电装置，可采用由直流放电、交流放电、脉冲放电及其基于相似原理演化的其他放电形式，其中，放电装置的放电电极或放电天线置于真空腔室的内部或外部，通过馈电线与射频功率源连接，通过调节射频功率源的电压、电流、功率等参数实现对等离子体参数的控制和保持。真空腔本体6侧壁的材料为石英玻璃。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置作进一步说明，本实施方式中，真空腔室还设有向内凹陷的腔室10，腔室的开口侧位于真空腔室的顶端，向内凹陷的腔室10与真空腔室为分体结构且密封连接，同轴馈电线2的下部和金属天线1均固定在内凹陷的腔室内。

真空腔本体6的形状不限，为圆柱形、椭圆柱形、三角柱形、长方体形、正方体形、球形、椭球形等，向内凹陷的腔室10的形状不限，为圆柱形、椭圆柱形、三角柱形、长方体形、正方体形、球形、椭球形等。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置作进一步说明，本实施方式中，采用密封胶或者机械紧固 装置将向内凹陷的腔室10与真空腔室密封连接。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二或三所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置作进一步说明，本实施方式中，向内凹陷的腔室10采用石英玻璃管实现。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置作进一步说明，本实施方式中，所述金属天线1采用单极子天线、双极子天线或印刷电路板天线实现。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置作进一步说明，本实施方式中，放电电极4采用空心铜管实现。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置作进一步说明，本实施方式中，空心铜管内通水，采用水冷对空心铜管进行冷却。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一、二或三所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置作进一步说明，本实施方式中，真空腔本体6内充满氩气。

具体实施方式九：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置作进一步说明，本实施方式中，金属天线1为双极子天线，包括两个直径Φ＝20mm，厚度d＝1mm的圆形平板铜片，两个铜片分别焊接在直径Φ＝4mm，长度L＝100mm的同轴馈电线2底端的中心铜线和外屏蔽层上，同轴馈电线2的另一端为连接头，用以连接矢量网络分析仪，共同构成小型化全向天线系统。等离子体调制增强天线电磁辐射装置，包括真空腔室、放电电极4和射频功率源5，真空腔室由外径为Φ＝80mm的圆柱石英玻璃管构成，石英玻璃管壁厚d＝5mm，高h＝150mm，上下两端为304号不锈钢端盖，并利用环氧胶密封，上端盖中心处开一直径Φ＝40mm的圆孔，上部焊接kf40直通标准接口，用于放置外径Φ＝30mm，厚2mm的石英玻璃管，构成小型化全向天线放置腔，该石英玻璃管一端开口另一端封闭，类似于试管结构，其中开口一端外部胶装一304号不锈钢固定环，利用胶圈和卡箍将天线放置腔固定环与真空腔室密封连接，上端不锈钢端盖距中心d＝26mm位置处中心对称地开有两个直径Φ＝6mm的气嘴，分别为进气口7和出气口8，由进气口7通入氩气作为工作气体，出气口8用于放气。下端不锈钢端盖在中心位置开有一直径Φ＝35mm的圆孔， 圆孔上焊接kf40直通标准接口，通过真空波纹管连接真空泵组9。放电电极4和射频功率源5组成电感耦合等离子体发生装置，空心铜管作为放电电极，在真空腔室的石英玻璃管外侧缠绕匝数n＝3，外径Φ＝10mm，内径Φ＝8mm的空心铜管；空心铜管内部通水用于对空心铜管进行冷却；放电电极的一端严格接地，另一端连接射频功率源5。工作时，射频功率源5的频率为13.56MHz，功率在0～2000W的范围内可调，射频功率源5使真空腔室内部气体部分被电离从而产生所需等离子体。

图2是本实施方式得到的小型化全向型天线增益值S₂₁随射频功率源5的功率的变化情况，本实施方式中小型化全向天线工作在1.2GHz频率下，通过调节13.56MHz射频功率源5的放电功率，得到某一气压下的小型化全向型天线增益值S₂₁随放电功率的变化情况，当13.56MHz射频功率源5的放电功率达到40w以上时，小型化全向型天线增益值S₂₁要比没有等离子体调制增强时的增益值提高5dB～8dB，并且在较宽的放电功率内均有优良的提高增益的作用。

Claims (8)

1.采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置，其特征在于，包括小型化全向型天线系统和等离子体调制增强电磁辐射系统；

小型化全向型天线系统包括金属天线(1)、同轴馈电线(2)和矢量网络分析仪(3)；

金属天线(1)固定在同轴馈电线(2)的底端，同轴馈电线(2)的顶端连接矢量网络分析仪(3)的输出端；

等离子体调制增强电磁辐射系统包括真空腔室、放电电极(4)和射频功率源(5)；

真空腔室包括真空腔本体(6)和真空泵组(9)，真空腔本体(6)的顶端开有进气口(7)和出气口(8)，真空腔本体(6)的底端固定有真空泵组(9)；

放电电极(4)缠绕在真空腔本体(6)的侧壁上，放电电极(4)的一端接地，放电电极(4)的另一端连接射频功率源(5)的输出端；

同轴馈电线(2)的下部和金属天线(1)均固定在真空腔本体(6)内，同轴馈电线(2)的轴心与真空腔本体(6)的中心线重合。

2.根据权利要求1所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置，其特征在于，真空腔室还设有向内凹陷的腔室(10)，该腔室的开口侧位于真空腔室的顶端，向内凹陷的腔室(10)与真空腔室为分体结构且密封连接，同轴馈电线(2)的下部和金属天线(1)均固定在内凹陷的腔室内。

3.根据权利要求2所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置，其特征在于，采用密封胶或者机械紧固装置将向内凹陷的腔室(10)与真空腔室密封连接。

4.根据权利要求2或3所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置，其特征在于，向内凹陷的腔室(10)采用石英玻璃管实现。

5.根据权利要求1、2或3所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置，其特征在于，所述金属天线(1)采用单极子天线、双极子天线或印刷电路板天线实现。

6.根据权利要求1、2或3所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置，其特征在于，放电电极(4)采用空心铜管实现。

7.根据权利要求6所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置，其特征在于，空心铜管内通水，采用水冷对空心铜管进行冷却。

8.根据权利要求1、2或3所述的采用等离子体调制增强小型化全向型天线电磁辐射的装置，其特征在于，真空腔本体(6)内充满氩气。