CN110311223B - 信号增强型等离子体隐身天线窗 - Google Patents

Abstract

信号增强型等离子体隐身天线窗，涉及低温等离子体的应用技术领域，为了满足兼具隐身和增强天线电磁辐射功能的等离子体发生装置的应用需求。本发明包括外层等离子体罩、内层等离子体罩和天线系统；外层等离子体罩和内层等离子体罩同轴嵌套，天线系统位于内层等离子体罩中；外层等离子体罩用于减小天线窗的雷达散射截面，内层等离子体罩用于增强收发通讯信号强度；二者协同作用，可在一定参数条件下在同一系统中实现对不同目标波段电磁波的选择性隐身和增强。本发明适用于隐身通讯。

Description

信号增强型等离子体隐身天线窗

技术领域

本发明涉及低温等离子体的应用技术领域，具体涉及兼具隐身和增强天线电磁辐射功能的双层结构等离子体发生装置。

背景技术

雷达隐身是针对飞行器特定的方位角或者俯仰角降低其雷达散射截面(RCS)的一项综合技术。飞行器头部强散射部位主要包括进气道、座舱、天线罩。目前，通过S型/遮挡处理以及涂覆吸波材料，进气道的雷达散射截面已经得到较好的控制；通过挡风玻璃金属化，座舱的雷达散射截面也得到了明显的改善。天线罩的隐身仍是飞行器头部隐身的重点和难点。

利用碰撞效应对电磁波能量的衰减，以及通过对等离子体密度分布及几何结构的设计引导电磁波“绕道而行”，可实现对等离子体包覆目标区域的隐身。等离子体隐身技术研究始于上世纪晚期，通过在飞行器关键电磁散射部位(如天线罩部位等)形成等离子体覆盖，利用等离子体的碰撞衰减吸收效应或对电磁波传播路径的调制等手段减少雷达探测目标的电磁回波能量，从而降低目标的雷达散射截面。与外形和材料隐身技术相比，等离子体隐身具有无需改变气动外形设计、隐身频带宽、吸收率高等优点，是一种极具前景的隐身技术。现阶段的等离子体隐身技术多采用在通信系统尚未发送或接收信号时快速启动等离子体的方式进行隐身，难以保证隐身的持续性和稳态性。一个重要原因是：对等离子体覆盖的目标区域，在实现对探测雷达隐身的同时，己方通讯信号也会受到影响、甚至无法有效穿透，在隐蔽自己的同时也会让自己“耳聋眼瞎”。

近年来发展起来的亚波长等离子体增强电磁辐射技术为解决等离子体隐身技术中通讯受限问题提供了一种新思路。采用亚波长等离子体结构(结构特征尺度小于入射电磁波波长，或与之相当)对电磁波调制增强，是进入21世纪以来快速发展的创新性前沿科技，其要点在于利用亚波长等离子体薄层结构包覆在信源近场区域，通过改变等离子体结构参数和电子密度，实现对目标频段电磁波信号的显著增强。

对于等离子体隐身技术，Stalder和Vidmar等人在1992年通过实验验证了Epstein分布的冷等离子体对10GHz微波有强烈的吸收作用，能够使反射的电磁波衰减高达28dB。孟刚和莫锦军等人在2008年利用时域有限差分(FDTD)算法研究了等离子体薄层降低天线罩RCS的机制。仿真结果表明：(1)对于雷达探测波，稠密等离子体相当于一个带曲率的反射面，可将电磁能量散射到非入射的其他方向；(2)对于低密度等离子体，等离子体对电磁波的吸收作用是隐身的主要原因。陈俊霖等人在2018年设计了一种用于减小天线罩雷达散射截面的石英夹层感性耦合等离子体(ICP)源，仿真结果表明，电感耦合等离子体源覆盖天线罩时，能够在较宽的频率范围内减小天线罩的背向雷达散射截面。

目前，等离子体隐身装置大致分为两类：对于碰撞吸收型等离子体隐身装置，国内申请号CN201910176804中公开的“一种隐身功能的低温等离子体发生装置及方法”，通过由介质阻挡放电形成均匀稳定的等离子体云团来吸收和散射雷达波雷达波，以减小设备的雷达散射截面。该装置的缺点是：(1)介质阻挡型等离子体的厚度相对较薄，对低频段雷达波(如0.3GHz)的隐身效果较差；(2)在军用设备表面贴覆大量放电贴片容易形成频率选择表面结构，对设备的电磁传输特性不利；(3)对于飞行器来说，天线罩的强散射特性是由阵列天线及其支座导致的，为了减小天线罩的雷达散射截面，不可避免会在通信天线周围产生等离子体环境，这时该装置必然会对通讯天线的性能产生不良影响。

国内申请号CN200510046209中公开的“电容耦合大气压辉光放电等离子体发生装置”，能够通过调整耦合电容或与耦合电容串联的电阻和电感以及匹配网络控制放电能量和放电进展过程，进而高效率地产生大规模、均匀稳定的大气压辉光放电等离子体。但是该装置产生的等离子体结构相对单一，且由于等离子体可无选择性地吸收各频段的电磁信号，使得等离子体在对雷达波隐身的同时，自身的正常通信也会受到影响。

国内申请号CN200410155136中公开的“一种强电离放电非平衡等离子体源及制备等离子的方法”采用高气压强电场电离放电的形式产生高浓度非平衡等离子体，再通过外加力把等离子体从放电电场成束地输送出去。这种等离子体发生装置虽然有体积小，硬度高、产生等离子体密度高的优点，但是由于等离子体在高气压环境中产生，碰撞频率较高，等离子体在吸收雷达波的同时也会吸收自身的通讯信号，隐身和通讯只能分时进行，而且由于等离子体在开放环境中的扩散作用，体积相对较大，采用紫外线探测装置会较为容易发现目标。

对于调制电磁波轨迹型等离子体隐身装置，隐身的主要原理是等离子体对电磁波的调制作用，使电磁波不沿着“原路返回”。国内申请号CN201711472734中公开的“一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器”，在禁带范围内，滤波效果良好，透射频率成分单一性好，且可通过调节等离子体参数调整滤波的带宽。国内申请号CN201721195619中公开的“一种不等宽带隙等离子体光子晶体”，通过调整电磁入射部分和透射部分介质层与等离子体层的厚度，能够得到具有多个不等宽电磁带隙的光子晶体。在工程实践中，使雷达波处于阻带，通讯波处于通带，就能通过等离子体光子晶体实现飞行器的隐身功能。但是，对于处于阻带内的雷达波，由于等离子体光子晶体对雷达波的散射作用，虽然背向雷达回波减小，但是其他方向上的散射强度会大幅度增大。随着反隐身技术的发展，使用多基站雷达依然能够有效探测目标。

亚波长等离子体薄层对微波频段电磁信号的增强效应在上世纪六七十年代的研究中就已经被发现。1960年代末期，比利时皇家军事学院(Ecole Royale Militaire)研究人员在实验中首次观测到：在适当的参数下，工作频率低于等离子体频率的球形电偶极子微波发射天线的电磁辐射能够在等离子体薄层包覆条件下得到增强。随后，美国密西根州立大学Chen和Lin在两套不同的装置中进一步验证了这一效应，并对电磁波频率、等离子体频率、包覆层厚度等参数对于辐射增强效果的影响在MHz范围进行了初步的实验研究及理论探索。2018年，哈尔滨工业大学聂秋月、孔繁荣等人提出了一种可增强接收、发射电磁辐射信号的亚波长等离子体调制技术，首次实现了对小型化天线在L波段(～1GHz)波段收、发信号近10dB的全向增强。

对于亚波长等离子体调制增强微波电磁辐射技术，国内申请号CN201610356451中公开的“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”解决了传统金属导体天线不能同时实现高增益和小型化的难题，同时缩小了天线的体积，减小了天线的雷达散射截面。但是对于低频雷达波(如0.3GHz)，该装置产生的等离子体密度远大于雷达波对应的截止密度，等离子体对电磁波有很强的反射作用，此时由天线体积减小带来的隐身效果并不明显。

综上，当前等离子体隐身技术的研究主要停留在优化单一等离子体系统的参数来实现最佳的隐身效果，缺乏对解决隐身和通讯无法兼容这一关键问题的研究。本专利从等离子体隐身和亚波长等离子体增强微波电磁辐射技术协同作用角度出发，依托等离子体增强效应来弥补等离子体隐身对自身通讯信号的衰减作用。这一思路具有良好的创新性和实用性。

发明内容

本发明的目的是为了实现兼具隐身和增强天线电磁辐射功能的等离子体发生装置的应用需求，从而提供信号增强型等离子体隐身天线窗。

本发明所述的信号增强型等离子体隐身天线窗，包括外层等离子体罩1、内层等离子体罩2和天线系统；

外层等离子体罩1和内层等离子体罩2同轴嵌套，天线系统位于内层等离子体罩2中；

外层等离子体罩1用于减小天线窗的雷达散射截面，内层等离子体罩2用于增强天线系统收发通讯信号强度。

优选的是，外层等离子体罩1的等离子体密度范围为1×10¹⁵m^-3～3×10¹⁵m^-3、等离子体碰撞频率范围为0.1GHz～0.2GHz、罩的厚度范围为1cm～10cm。

优选的是，内层等离子体罩2的等离子体密度范围为5×10¹⁶m^-3～1×10¹⁷m^-3、等离子体碰撞频率范围为0.1GHz～0.2GHz、罩的厚度范围为2cm～4cm。

优选的是，外层等离子体罩1和内层等离子体罩2的间隔范围为0cm～11cm。

优选的是，外层等离子体罩1和内层等离子体罩2均为球壳状或均为圆筒状。

优选的是，内层等离子体罩2紧密覆盖天线系统。

相比于现有相关技术的不足之处，本发明的有益效果：

(1)针对等离子体隐身技术中隐身和通讯不能兼容这一技术瓶颈问题，本发明创新性地从等离子体隐身和亚波长等离子体调制增强微波电磁辐射协同作用角度出发，提出通过内层等离子体对通讯信号的增强，来补偿外层等离子体在隐身的同时对通讯信号的衰减作用；

(2)根据内外层等离子体罩的作用，通过对外层等离子体参数的合理设计，在目标波段雷达波下，系统实现了类似“隐身斗篷”的全向隐身功能；

(3)可在同一系统中实现对不同目标波段电磁波的选择性隐身和增强：使P波段雷达波下天线罩背向雷达散射截面下降超过10dBsm的同时，实现其内部L波段通讯天线收发信号增强10dB以上。

附图说明

图1是具体实施方式所述的信号增强型等离子体隐身天线窗的轴向剖视图；

图2是具体实施方式所述的信号增强型等离子体隐身天线窗的径向剖视图；

图3是具体实施方式中的天线窗的隐身、发射增强和接收增强特性与外层等离子体密度的关系曲线图；

图4是具体实施方式中的天线窗在雷达波极化平面内全向双站雷达散射截面极坐标图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的信号增强型等离子体隐身天线窗，包括外层等离子体罩1、内层等离子体罩2和天线系统；

外层等离子体罩1和内层等离子体罩2无间隙同轴嵌套，天线系统位于内层等离子体罩2的空心区域中；

外层等离子体罩1采用中低密度、低碰撞频率的等离子体，用于减小天线窗的雷达散射截面，内层等离子体罩2采用高密度、低碰撞频率的等离子体，用于近场调制增强天线系统收发通讯信号强度。

外层等离子体罩1和内层等离子体罩2二者协同作用，可在一定参数条件下在同一系统中实现对不同目标波段电磁波的选择性隐身和增强。

外层等离子体罩1、内层等离子体罩2的圆筒厚度均为3cm。内层等离子体罩2的等离子体密度5×10¹⁶m^-3。

天线系统包括馈电电源3和偶极子天线4；馈电电源3为偶极子天线4馈电。内层等离子体罩2紧密覆盖偶极子天线4。

通过数值模拟手段对天线窗的隐身特性和信号增强特性进行分析，测试天线窗的隐身特性时，用0.6GHz雷达探测波照射信号增强型等离子体隐身天线窗，固定内层等离子体罩2的等离子体参数不变，改变外层等离子体罩1的等离子体密度，在不同的散射方向上测试目标的雷达散射截面。测试天线窗的发射信号增强特性时，偶极子天线的工作频率设置为1GHz，馈电电压的有效值和相位分别为10V和0°，固定内层等离子体罩2的等离子体参数不变，改变外层等离子体罩1的等离子体密度，在天线馈电平面内的远场区测试发射信号强度。测试天线窗的接收信号增强特性时，针对1GHz入射通讯电磁波，固定内层等离子体罩2的等离子体参数不变，改变外层等离子体罩1的等离子体密度，测试偶极子天线的接收信号强度。

天线窗的隐身、发射增强和接收增强特性与外层等离子体密度的关系如图3所示。由图3知，当取内层等离子体罩2的等离子体厚度和密度分别为3cm、5×10¹⁶m^-3，外层等离子体罩1的等离子体厚度和密度分别为3cm、2.04×10¹⁵m^-3时，可在同一系统中实现对不同目标波段电磁波的选择性隐身和增强：针对0.6GHz雷达探测波，可使天线罩背向雷达散射截面相比无外层等离子体调制时下降22.01dBsm的同时，实现其内部1GHz通讯天线发射及接收信号增强分别达到15.55dB及12.52dB。

图4是在0.6GHz雷达探测波下，当固定内层等离子体罩2的等离子体参数(厚度和密度分别为3cm、5×10¹⁶m^-3)，外层等离子体罩1的等离子体厚度为3cm，外层等离子体罩1的等离子体密度分别为0m^-3和2.04×10¹⁵m^-3时，天线窗在雷达波极化平面内全向双站雷达散射截面极坐标图。可以看到，相比于现有的散射隐身(将电磁波散射到非入射方向)，本实施方式中的隐身技术具有类似于“隐身斗篷”的全向隐身特性。

通过改变外层等离子体罩1和内层等离子体罩2的等离子体密度和罩的厚度，本发明可以用于其它电磁波波段。

Claims (2)

1.信号增强型等离子体隐身天线窗，其特征在于，包括外层等离子体罩(1)、内层等离子体罩(2)和天线系统；

外层等离子体罩(1)和内层等离子体罩(2)同轴嵌套，天线系统位于内层等离子体罩(2)中；

外层等离子体罩(1)用于全向减小天线窗的雷达散射截面，内层等离子体罩(2)用于增强天线系统收发通讯信号强度；

所述外层等离子体罩(1)的等离子体密度均匀分布，取值范围为1×10¹⁵m^-3～3×10¹⁵m^-3、等离子体碰撞频率均匀分布，取值范围为0.1GHz～0.2GHz、罩的厚度范围为1cm～10cm；

所述内层等离子体罩(2)的等离子体密度均匀分布，取值范围为5×10¹⁶m^-3～1×10¹⁷m^-3、等离子体碰撞频率均匀分布，取值范围为0.1GHz～0.2GHz、罩的厚度范围为2cm～4cm；

所述内等离子体罩和外层等离子体罩的参数独立可控，相互之间不影响；

内层等离子体罩(2)紧密覆盖天线系统；所述外层等离子体罩(1)和内层等离子体罩(2)的间隔范围为0cm～11cm。

2.根据权利要求1所述的信号增强型等离子体隐身天线窗，其特征在于，外层等离子体罩(1)和内层等离子体罩(2)均为球壳状或均为圆筒状。

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