CN109326894A - 一种十字交叉振子等离子体天线 - Google Patents
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Abstract
一种十字交叉振子等离子体天线，包含：天线振子阵列组件，其包含四个天线振子，每相邻两个天线振子相互垂直，相对的两个天线振子组成半波对称振子组；等离子体激励组件，其连接天线振子阵列组件中的天线振子，用以产生高密度等离子体并维持天线振子的工作；相移组件，其连接天线振子阵列组件，用于实现十字交叉振子等离子体天线在线极化与圆极化之间的快速转化。本发明实现了水平极化、垂直极化、左旋圆极化与右旋圆极化之间的转变，提升了多种极化信号处理能力，扩大了天线可调范围，既避免了柔性天线的结构的复杂性，也可实现扩展天线的可重构性。
Description
技术领域
本发明涉及气体放电与无线通讯技术领域，尤其涉及一种十字交叉振子等离子体天线。
背景技术
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。等离子体天线是指使用被电离的气体作为电磁能量传导介质的天线，其基本原理是利用等离子体替代金属用于无线电信号的发射与接收。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、等离子体减阻、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。
目前，国外对等离子天线的研究有：Rayner等人做了一个实验来检验等离子体天线的激发，使用氩表面波在500MHz放电工作，射频功率高达120W。结果证实等离子体天线产生的噪声在10到250MHz是可以成功被测量的，并且天线长度随施加功率平方根的增大而增大。Moisan团队通过构建实验平台，探讨了等离子体表面波功率与放电功率、气压、电磁波频率、放电管直径和管壁厚度的关系。Anderson和Alexeff成功演示了等离子体天线在发射和接收模式下的操作。Kumar和Bora研究了等离子体柱的不同离子体结构的天线特性，以用作可重构等离子体天线。通过改变操作参数，可以将单个等离子体天线变换成多个天线元件，然后将它们布置成不同的系列等。
传统的天线重构性太小，即调节电压功率天线性能可变性差，无法实现线极化和圆极化的快速转变。柔性等离子天线虽然克服了这些问题，但是需要机械转动，且结构复杂，造成了使用的不便。此外，传统天线由于等离子天线通过控制等离子体的形态和强度等参数可以对天线带宽、频率、增益和方向性等特性进行动态的重构。与传统的天线相比，等离子体天线其效率将更高、重量更轻、体积更小、尺寸更短、带宽更宽、在外型和流体力学方面更具隐蔽性，很多国家都开展了等离子天线军事方面的研究，其重要科研及应用前景广阔。
发明内容
本发明提供一种十字交叉振子等离子体天线，实现了水平极化、垂直极化、左旋圆极化与右旋圆极化之间的转变，提升了多种极化信号处理能力，扩大了天线可调范围，既避免了柔性天线的结构的复杂性，也可实现扩展天线的可重构性。
为了达到上述目的，本发明提供一种十字交叉振子等离子体天线，包含：
天线振子阵列组件，其包含四个天线振子，每相邻两个天线振子相互垂直，相对的两个天线振子组成半波对称振子组；
等离子体激励组件，其连接天线振子阵列组件中的天线振子，用以产生高密度等离子体并维持天线振子的工作；
相移组件，其连接天线振子阵列组件，用于实现十字交叉振子等离子体天线在线极化与圆极化之间的快速转化。
所述的天线振子阵列组件中的每一个天线振子都包含：
等离子体放电管，其充当等离子体天线振子的约束腔体；
信号耦合套筒，其连接在等离子体放电管的一端。
所述的等离子体放电管由硬质玻璃管或石英管制成，或者由硅材料的柔性耐高压软管制成。
所述的等离子体激励组件包含：
等离子体激励源；
激励耦合电极，其缠绕在等离子体放电管靠近信号耦合套筒的一端，该激励耦合电极的一端通过信号传输线连接等离子体激励源的输出端，另一端通过传输线接地。
所述的激励耦合电极采用金属线圈绕制而成。
所述的相移组件包含：
180度相移传输线，其分别连接半波对称振子组中的两个天线振子的信号耦合套筒，用于实现半波对称振子组中的两个天线振子的相位相差180度；
90度相移功分器，其两个射频端口通过传输线分别连接相邻两个天线振子的信号耦合套筒，两个射频端口的相位相差90度，用于实现相邻两个天线振子的相位相差90度。
所述的180度相移传输线的长度为半波长，180度相移传输线的两端内芯分别焊接在信号耦合套筒上，180度相移传输线的外导体接地。
本发明通过调整激励源工作状态，电控调节不同交叉振子的工作状态，进而实现水平极化、垂直极化、左旋圆极化与右旋圆极化之间的转变，提升了多种极化信号处理能力，扩大了天线可调范围，既避免了柔性天线的结构的复杂性，也可实现扩展天线的可重构性，为无线电工程应用提供参考。
附图说明
图1是本发明提供的一种十字交叉振子等离子体天线的结构示意图。
图2和图3是十字交叉振子等离子体天线实现左旋圆极化和右旋圆极化转换的示意图。
图4和图5是十字交叉振子等离子体天线实现圆极化和线极化转换的示意图。
具体实施方式
以下根据图1～图5，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种十字交叉振子等离子体天线，包含：
天线振子阵列组件，其实现等离子体天线主体的搭建和性能重构，其包含四个天线振子，每相邻两个天线振子相互垂直，相对的两个天线振子组成半波对称振子组；
等离子体激励组件，其实现等离子体的构建与维持，其连接天线振子阵列组件中的天线振子，用以产生高密度等离子体并维持天线振子的工作；
相移组件，其连接天线振子阵列组件，用于实现十字交叉振子等离子体天线在线极化与圆极化之间的快速转化。
进一步，所述的天线振子阵列组件中的每一个天线振子都包含：
等离子体放电管3，其充当等离子体天线振子的约束腔体；
信号耦合套筒4，其连接在等离子体放电管3的一端。
本实施例中，所述的等离子体放电管3可以由硬质玻璃管或石英管制成，也可以由硅材料的柔性耐高压软管制成。四个等离子体放电管3组成了十字交叉振子，相邻两等离子体放电管3彼此垂直。
所述的等离子体激励组件包含：
等离子体激励源1；
激励耦合电极2，缠绕在等离子体放电管3上靠近信号耦合套筒4一端，该激励耦合电极2的一端通过信号传输线连接等离子体激励源1的输出端，另一端通过传输线接地。
激励耦合电极2由金属线圈绕制而成，本实施例中，所述的激励耦合电极2采用铜质线圈绕制而成。
通过调整等离子体激励源1的阻抗匹配装置，将激励信号馈入激励耦合电极2中，进而产生并维持等离子体，通过调节等离子体激励源1的施加功率来改变等离子体天线振子的开启与关闭、等离子体参数及天线振子的长度来控制通信频段，从而来控制各个天线振子工作状态。
所述的相移组件包含：
180度相移传输线5，其分别连接半波对称振子组中的两个天线振子的信号耦合套筒4，用于实现半波对称振子组中的两个天线振子的相位相差180度；
90度相移功分器6，其两个射频端口通过传输线分别连接相邻两个天线振子的信号耦合套筒4，两个射频端口的相位相差90度，用于实现相邻两个天线振子的相位相差90度。
所述的180度相移传输线5的长度为半波长，180度相移传输线5是柔软可缠绕的，以降低天线系统空间，180度相移传输线5的两端内芯分别焊接在信号耦合套筒4上，180度相移传输线5的外导体接地。
通过相移组件使十字交叉等离子体天线系统中的每相邻两个等离子体放电管3的相位差两两相差90度，四个等离子体放电管3的相位分别为0度，90度，180度和270度，实现了圆极化。
如图2和图3所示，本发明提供的一种十字交叉振子等离子体天线可以实现左旋圆极化和右旋圆极化之间的转换。利用等离子体激励源1将四个等离子体放电管3全部激励起来形成四个等离子体天线振子，编号分别为振子1、振子2、振子3和振子4。如图2所示，十字交叉振子等离子体天线的90度相移功分器6的0度输出端连接振子1上的信号耦合套筒4，十字交叉振子等离子体天线的90度相移功分器6的90度输出端连接振子2上的信号耦合套筒4，这样振子1、振子2、振子3和振子4上的相位分别为0度、90度、180度和270度，实现了天线的左旋圆极化。如图3所示，将90度相移功分器6的两个输出端对调，即0度输出端连接振子2上的信号耦合套筒4，90度输出端连接振子1上的信号耦合套筒4，这样振子2、振子1、振子4和振子3上的相位分别为0度、90度、180度和270度，实现了天线的右旋圆极化。
如图4和图5所示，本发明提供的一种十字交叉振子等离子体天线可以实现圆极化和线极化之间的快速转换。当利用等离子体激励源1产生激励信号通过耦合电极2激发等离子体放电管3，产生等离子体天线振子1、振子2、振子3和振子4，进而实现圆极化。当开启纵向振子1和振子3时，如图4所示，振子2和振子4关闭，天线对称振子呈垂直方向，实现垂直极化。当开启纵向振子2和振子4时，如图5所示，振子1和振子3关闭，天线对称振子呈水平方向，实现水平极化。
本发明通过调整激励源工作状态，电控调节不同交叉振子的工作状态，进而实现水平极化、垂直极化、左旋圆极化与右旋圆极化之间的转变，提升了多种极化信号处理能力，扩大了天线可调范围，既避免了柔性天线的结构的复杂性，也可实现扩展天线的可重构性，为无线电工程应用提供参考。
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 (7)
1.一种十字交叉振子等离子体天线，其特征在于，包含：
天线振子阵列组件，其包含四个天线振子，每相邻两个天线振子相互垂直，相对的两个天线振子组成半波对称振子组；
等离子体激励组件，其连接天线振子阵列组件中的天线振子，用以产生高密度等离子体并维持天线振子的工作；
相移组件，其连接天线振子阵列组件，用于实现十字交叉振子等离子体天线在线极化与圆极化之间的快速转化。
2.如权利要求1所述的十字交叉振子等离子体天线，其特征在于，所述的天线振子阵列组件中的每一个天线振子都包含：
等离子体放电管（3），其充当等离子体天线振子的约束腔体；
信号耦合套筒（4），其连接在等离子体放电管（3）的一端。
3.如权利要求2所述的十字交叉振子等离子体天线，其特征在于，所述的等离子体放电管（3）由硬质玻璃管或石英管制成，或者由硅材料的柔性耐高压软管制成。
4.如权利要求2所述的十字交叉振子等离子体天线，其特征在于，所述的等离子体激励组件包含：
等离子体激励源（1）；
激励耦合电极（2），其缠绕在等离子体放电管（3）上靠近信号耦合套筒（4）的一端，该激励耦合电极（2）的一端通过信号传输线连接等离子体激励源（1）的输出端，另一端通过传输线接地。
5.如权利要求4所述的十字交叉振子等离子体天线，其特征在于，所述的激励耦合电极（2）采用金属线圈绕制而成。
6.如权利要求4所述的十字交叉振子等离子体天线，其特征在于，所述的相移组件包含：
180度相移传输线（5），其分别连接半波对称振子组中的两个天线振子的信号耦合套筒（4），用于实现半波对称振子组中的两个天线振子的相位相差180度；
90度相移功分器（6），其两个射频端口通过传输线分别连接相邻两个天线振子的信号耦合套筒（4），两个射频端口的相位相差90度，用于实现相邻两个天线振子的相位相差90度。
7.如权利要求6所述的十字交叉振子等离子体天线，其特征在于，所述的180度相移传输线（5）的长度为半波长，180度相移传输线（5）的两端内芯分别焊接在信号耦合套筒（4）上，180度相移传输线（5）的外导体接地。
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