CN111293411A - 一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置 - Google Patents

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Abstract

一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置，涉及低温等离子体应用技术领域。本发明是为了解决现有多频段信号传输装置传输效率低，需配合信号放大器使用，单层等离子体增强装置带通频率特性差的问题。N个等离子体罩同轴嵌套，N个等离子体罩由内向外依次是一号等离子体罩、二号等离子体罩至N号等离子体罩，天线系统位于一号等离子体罩的罩内，偶极子天线用于发射多个目标波段电磁波或者接收背景电磁场经过N个等离子体罩输入的目标波段电磁波，每个等离子体罩增强偶极子天线发射的目标波段电磁波信号强度或从背景电磁场中提取并增强目标波段电磁波信号，增强范围为经过N个等离子体罩发射出的信号功率的对数增益≥10dB。用于增强信号。

Description

一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置
技术领域
本发明涉及等离子体装置。属于低温等离子体的应用技术领域。
背景技术
随着现代微波通讯技术的发展，为了充分利用电缆的带宽资源，通常采用波分复用的方法来提高传输容量。其中，在信号发送端采用波分复用器将不同波长的载波合并进行传输，在信号接收端采用解复用器(等效光带通滤波器)将各路信号分开。为了确保通讯的质量，合波器和分波器需要具备低带内插入损耗、明显的区分隔离度以及高稳定的中心波长的特性。此外，在现代军事战争复杂电磁环境作战的背景下，敌我双方往往采用电子干扰的方式来使对方的通讯系统瘫痪。电子干扰的基本原理是制造电磁干扰信号，使其与有用信号同时进入对方电子设备的接收机，当干扰信号足够强时，对方接收机就无法从接受到的信号中提取所需要的信息。
另一方面，太赫兹波(THz)是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，太赫兹波(THz)的波段能够覆盖半导体、等离子体，有机体和生物大分子等物质的特征谱。THz技术可广泛应用于雷达、遥感、国土安全与反恐、高保密的数据通讯与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域。THz源是THz研究的主要方向之一，目前最大的困难是没有高功率便携式连续可调且成本较低的THz发射源和满足要求的滤光片。
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上述微波通讯和THz应用中的技术瓶颈提供了一种新思路。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，通过激发新的偶极振荡，实现对目标频段电磁波信号的显著增强。
针对上述实际问题，大量学者利用光子晶体的光子带隙(PBG)特性开展了相关理论和实验研究。2000年Qiao等人利用光子量子井替代传统的缺陷层结构设计了一种在微波波段具有多通道滤波特性的光子晶体；2003年Wu等人利用金属线阵列形成的具有亚波长微结构的超材料设计了一种THz高通滤波器；2011年Li等人设计了一种在微波波段具有梳状滤波特性的等离子体光子晶体并研究了等离子体参数对滤波特性的影响；2013年Liang等人基于多层超材料结构设计了一种带宽灵活可调的THz带通滤波器；由于超导体的低损耗、低色散以及良好的带宽特性，2014年Liu等人利用超导光子晶体设计了一种可调谐的THz多通道滤波器；2017年Eden等人利用微等离子体阵列设计的等离子体光子晶体从实验上实现了中心频率为157GHz的陷波滤波器。总的来说，这些滤波装置能够在一定程度上实现对目标频段电磁波的选择性提取，但是传输效率均不大于1，往往需要配合使用前级或后级信号放大装置；超导和超材料光子晶体不能灵活调整分辨率和中心频率且工程实现难度较大。
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、天线尺寸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。2017至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。
国内申请号CN201711472734.X中公开的“一种可调的等离子体光子晶体选频滤波器”，该滤波器在禁带范围内滤波效果良好，且可以通过对等离子体参数的调节，实现可调的窄带选频，但是其最大的信号传输比为1且在实际中无法处理多频复合信号。国内申请号CN201721195619.8中公开的“一种不等宽带隙等离子体光子晶体”，通过调整电磁波入射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。该等离子体光子晶体虽然实现了多频段的带通特性，但是分辨率较低且其信号的传输比最大为1，在复杂电子干扰环境中不利于提取有用通讯信号。国内申请号CN201910110200.5中公开的“一种太赫兹癌症检测仪”中的信号接收处理单元包含多工超窄带通滤波器和多路放大器等部件。其中多工超窄带通滤波器由多个晶体滤波器组成，其缺点是工作频率固定，无法在实际中动态调整，且传输系数不大于1，需要和后极的放大器配合使用。
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CN201610356451.8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。国内申请号CN201910678454.7中公开的“信号增强型等离子体隐身天线窗”通过双层等离子体的参数匹配同时实现了P波段雷达隐身和L波段信号增强。但这些装置存在的缺点是增强频带较宽且单一，不能满足实际需求。
综上，当前关于多频段信号传输装置的研究虽然可以实现多频段的带通特性但是传输比相对较低；同时关于等离子体增强效应的工作主要还停留在对单层等离子体增强特性的研究上，在实际工作中单层等离子体会在较宽的频带内增强信号，该频带既包含了目标频率信号，也包含了干扰信号。
发明内容
本发明是为了解决现有的多频段信号传输装置传输效率较低，需配合信号放大器使用，且单层等离子体增强装置带通频率特性较差的问题。提供一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置。
一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置，所述装置包括天线系统和N个等离子体罩，N为大于1的正整数，
N个等离子体罩同轴嵌套，N个等离子体罩由内向外依次是一号等离子体罩、二号等离子体罩至N号等离子体罩，天线系统位于一号等离子体罩的罩内，且天线系统被一号等离子体罩紧密覆盖，天线系统包括偶极子天线1和馈电电源2，
馈电电源2，用于为偶极子天线1供电，
偶极子天线1，用于作为发射天线发射多个目标波段电磁波或者作为接收天线接收背景电磁场经过N个等离子体罩输入的目标波段电磁波，
根据实际需要发射或接收的目标波段电磁波频率设计每个等离子体罩的厚度和电子密度，
每个等离子体罩，用于增强偶极子天线1发射的目标波段电磁波信号强度，或从背景电磁场中提取并增强目标波段电磁波信号，其中，增强的范围为经过N个等离子体罩发射出的信号功率的对数增益≥10dB。
优选的，根据实际需要发射或接收的目标波段电磁波频率设计每个等离子体罩的厚度和电子密度，具体为：
设实际需要发射或接收的目标波段电磁波频率为f1、f2…fN且f1＞f2＞…＞fN，一号等离子体罩用于增强频率为f1的电磁波信号，二号等离子体罩用于增强频率为f2的电磁波信号，N号等离子体罩用于增强频率为fN的电磁波信号,通过公式1至公式4，计算出增强频率f1、f2…fN的N个的等离子体罩的厚度范围和电子密度范围，
Figure BDA0002384365270000041
Figure BDA0002384365270000042
Figure BDA0002384365270000043
Figure BDA0002384365270000044
式中，d1表示一号等离子体罩的厚度，d2表示二号等离子体罩的厚度，dN表示N号等离子体罩的厚度，k为系数，c为光速，α1、α2...αN均为系数，rantenna为球形偶极子天线的半径，e为元电荷数，ε0为真空中介电常数，me为电子质量，f'1为一号等离子体罩的等离子体频率，f'2为二号等离子体罩的等离子体频率，f'N为N号等离子体罩的等离子体频率，n1为一号等离子体罩的电子密度，n2为二号等离子体罩的电子密度，nN为N号等离子体罩的电子密度。
优选的，相邻的两个等离子体罩之间存在间距，该间距满足的条件为：
Figure BDA0002384365270000051
式中，δdN-1表示第N-1个等离子体罩与第N个等离子体罩之间的间距，
优选的，N个等离子体罩中的等离子体均为低碰撞频率等离子体，N个低碰撞频率等离子体的频率表示为：
Figure BDA0002384365270000052
式中，ν1表示一号等离子体罩的等离子体碰撞频率，ν2表示二号等离子体罩的等离子体碰撞频率，νN表示N号等离子体罩的等离子体碰撞频率，β1,β2,....βN均为系数。
优选的，N个等离子体罩均为球壳状或圆筒状。
本申请相比于现有技术的优点为：
(1)本申请通过对N个等离子体罩的厚度、密度、碰撞频率及间距进行特殊设计(公式1-6)，可同时增强多个发射信号的强度或者从复杂的背景电磁场中提取并增强多个目标频率的电磁信号，本装置不依赖前级或后级放大电路；
(2)本装置不需要使用等离子体光子晶体的宿主介质，通过不同的等离子体产生方法(如电容耦合等离子体、电感耦合等离子体以及微波等离子体等)可灵活调整N个等离子体罩的电子密度，使其有效工作范围覆盖整个微波波段和部分THz波段(microplasma阵列)；
(3)通过调整与目标频率对应及其相邻等离子体罩的厚度和密度，可以较为容易地调整装置工作的中心频率和分辨率。
(4)本装置中包括N个等离子体增强装置，N个等离子体增强装置构成了N层等离子增强结构能够控制带宽带通频率，所以，本申请相比现有的单层结构带通频率特性强。
本申请基于亚波长稠密等离子体增强信号的特性，结合等离子体光子晶体周期性结构分布的特点，提出一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置，在微波通讯、黑障问题以及THz滤波等领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置的轴向剖视图，特别地，当N取6时，附图标记3至6分别表示一号到六号等离子体罩；
图2为具体实施方式一所述的一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置的径向剖视图；
图3为实施例1的装置工作特性图；
图4为实施例2的装置工作特性图；
具体实施方式
实施例1：
一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置，包括3个等离子体罩和天线系统；
3个等离子体罩包括一号等离子体罩至三号等离子体罩，
一号等离子体罩至三号等离子体罩从内至外无间隙同轴嵌套，天线系统位于一号等离子体罩的罩内，且天线系统被一号等离子体罩紧密覆盖；
天线系统包括偶极子天线1和馈电电源2，
馈电电源2，用于为偶极子天线1供电，
偶极子天线1，用于发射目标波段的电磁波信号，
每个等离子体罩，用于增强偶极子天线1发射的目标波段电磁波信号强度，或从背景电磁场中提取并增强目标波段电磁波信号，其中，增强的范围为经过N个等离子体罩发射出的信号功率的对数增益(10lg)≥10dB，
设实际需要发射的电磁波波段频率为0.6GHz、1GHz、1.6GHz，则由公式1-4可求得对应的一号到三号等离子体罩的等离子体频率f'1、f'2、f'3分别为0.9GHz、1.5GHz、2.4GHz，一号到三号等离子体罩的电子密度分别为1.0047×1016m-3、2.7908×1016m-3、7.1444×1016m-3，3个等离子体罩的厚度分别为5mm、5mm、5mm，3个等离子体罩中等离子体碰撞频率均为0.1GHz；
其中球形偶极子天线的半径1mm，馈电间隙0.2mm，馈电电压幅值10V，初始相位为0；
通过数值模拟手段(有限元)对系统的频率特性进行分析，偶极子天线工作频带设置为(0.1，3)GHz，变化步长为0.05GHz，在系统的远场区分别测试有无等离子体条件下的偶极子天线的发射信号强度。系统的工作特性如图3所示，可以看到：(1)系统截止频率点与等离子体频率完全对应，分别是0.9GHz、1.5GHz和2.4GHz；(2)系统增强峰出现在0.6GHz,1.12GHz和1.82GHz，与目标增强峰点存在一定偏差的原因是层间等离子体的耦合作用以及实际作用的二号和三号等离子体罩与天线存在间隙而非紧密包覆。
本实施例中，利用公式1可求得三层等离子体罩厚度的有效范围；利用公式2和4可求得三层等离子体罩密度的有效范围；利用公式3既保证了系统能够增强0.6GHz、1GHz、1.6GHz电磁信号又保证了天线为电小天线。
实施例2：
一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置，包括3个等离子体罩和天线系统；
3个等离子体罩包括一号等离子体罩至三号等离子体罩，
一号等离子体罩至三号等离子体罩从内至外无间隙同轴嵌套，天线系统位于一号等离子体罩的罩内，且天线系统被一号等离子体罩紧密覆盖；
天线系统包括偶极子天线1和馈电电源2，
馈电电源2，用于为偶极子天线1供电，
偶极子天线1，用于发射目标波段的电磁波信号，
每个等离子体罩，用于增强偶极子天线1发射的目标波段电磁波信号强度，或从背景电磁场中提取并增强目标波段电磁波信号，其中，增强的范围为经过N个等离子体罩发射出的信号功率的对数增益(10lg)≥10dB。
设实际需要发射的电磁波波段频率为0.6GHz、1GHz、1.6GHz，则由公式1-4可求得对应的一号到三号等离子体罩的等离子体频率f'1、f'2、f'3分别为0.9GHz、1.2GHz、2.4GHz，一号到三号等离子体罩的电子密度分别为1.0047×1016m-3、1.7861×1016m-3、7.1444×1016m-3，3个等离子体罩的厚度分别为5mm、5mm、5mm，3个等离子体罩的等离子体碰撞频率均为0.1GHz；
其中球形偶极子天线的半径1mm，馈电间隙0.2mm，馈电电压幅值10V，初始相位为0；
通过数值模拟手段对系统的频率特性进行分析，偶极子天线工作频带设置为(0.1，3)GHz，变化步长为0.02GHz，在系统的远场区分别测试有无等离子体条件下的偶极子天线的发射信号强度。系统的工作特性如图4所示，可以看到：(1)系统截止频率点与等离子体频率完全对应，分别是0.9GHz、1.2GHz和2.4GHz；(2)系统增强峰出现在0.58GHz,1.00GHz和1.68GHz；(3)通过减小二号等离子体罩的电子密度，中心频率1GHz的增强带宽从0.38GHz减小到0.16GHz，但与此同时中心频率1.6GHz的增强带宽相应增大。
本实施例中，利用公式1可求得三层等离子体罩厚度的有效范围；利用公式2和4可求得三层等离子体罩密度的有效范围；利用公式3既保证了系统能够增强0.6GHz、1GHz、1.6GHz电磁信号又保证了天线为电小天线。

Claims (5)

1.一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置，其特征在于，所述装置包括天线系统和N个等离子体罩，N为大于1的正整数，
N个等离子体罩同轴嵌套，N个等离子体罩由内向外依次是一号等离子体罩、二号等离子体罩至N号等离子体罩，天线系统位于一号等离子体罩的罩内，且天线系统被一号等离子体罩紧密覆盖，
天线系统包括偶极子天线(1)和馈电电源(2)，
馈电电源(2)，用于为偶极子天线(1)供电，
偶极子天线(1)，用于作为发射天线发射多个目标波段电磁波或者作为接收天线接收背景电磁场经过N个等离子体罩输入的目标波段电磁波，
根据实际需要发射或接收的目标波段电磁波频率设计每个等离子体罩的厚度和电子密度，
每个等离子体罩，用于增强偶极子天线(1)发射的目标波段电磁波信号强度，或从背景电磁场中提取并增强目标波段电磁波信号，其中，增强的范围为经过N个等离子体罩发射出的信号功率的对数增益≥10dB。
2.根据权利要求1所述一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置，其特征在于，根据实际需要发射或接收的目标波段电磁波频率设计每个等离子体罩的厚度和电子密度，具体为：
设实际需要发射或接收的目标波段电磁波频率为f1、f2…fN且f1＞f2＞…＞fN，一号等离子体罩用于增强频率为f1的电磁波信号，二号等离子体罩用于增强频率为f2的电磁波信号，N号等离子体罩用于增强频率为fN的电磁波信号,通过公式1至公式4，计算出增强频率f1、f2…fN的N个的等离子体罩的厚度范围和电子密度范围，
Figure FDA0002384365260000011
Figure FDA0002384365260000021
Figure FDA0002384365260000022
Figure FDA0002384365260000023
式中，d1表示一号等离子体罩的厚度，d2表示二号等离子体罩的厚度，dN表示N号等离子体罩的厚度，k为系数，c为光速，α1、α2...αN均为系数，rantenna为球形偶极子天线的半径，e为元电荷数，ε0为真空中介电常数，me为电子质量，f1'为一号等离子体罩的等离子体频率，f2'为二号等离子体罩的等离子体频率，fN'N为N号等离子体罩的等离子体频率，n1为一号等离子体罩的电子密度，n2为二号等离子体罩的电子密度，nN为N号等离子体罩的电子密度。
3.根据权利要求2所述一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置，其特征在于，相邻的两个等离子体罩之间存在间距，该间距满足的条件为：
Figure FDA0002384365260000024
式中，δdN-1表示第N-1个等离子体罩与第N个等离子体罩之间的间距。
4.根据权利要求1所述一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置，其特征在于，N个等离子体罩中的等离子体均为低碰撞频率等离子体，N个低碰撞频率等离子体的频率表示为：
Figure FDA0002384365260000031
式中，v1表示一号等离子体罩的等离子体碰撞频率，v2表示二号等离子体罩的等离子体碰撞频率，vN表示N号等离子体罩的等离子体碰撞频率，β1,β2,....βN均为系数。
5.根据权利要求1所述一种可调谐、高分辨率、多频段增强等离子体发生装置，其特征在于，N个等离子体罩均为球壳状或圆筒状。
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