CN112636004B - 测定流注电子密度时空演化的超材料聚焦天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了超材料聚焦天线技术领域的测定流注电子密度时空演化的超材料聚焦天线，包括平面介质透镜阵列、超材料金属单元、聚焦透镜、介质打孔单元和喇叭天线，喇叭天线输出微波散射信号，平面介质透镜阵列将信号转为平面波输出，再通过在平面介质透镜阵列和聚焦天线之间的超材料金属单元和聚焦透镜将平面波聚焦成单一的波束，从而实现发射阵列天线的高增益和高空间合成效率；本发明通过在平面介质透镜均匀打空气通孔，实现对圆极化喇叭天线发射电磁波的相位补偿作用，达到提高其增益和定向性的目的。在平面介质透镜和聚焦透镜之间加超材料金属单元，会聚形成单一的波束，从而实现天线的高增益和高空间合成效率。

Description

测定流注电子密度时空演化的超材料聚焦天线
技术领域
本发明涉及超材料聚焦天线技术领域，具体涉及测定流注电子密度时空演化的超材料聚焦天线。
背景技术
等离子体特性诊断是利用物理规律和现象测定等离子体特性的一种方法，而电子密度是等离子体最基础、最重要的参数之一。根据测量要求和实验条件选取不同的诊断方法，等离子体电子密度常用的方法包括光谱法、探针法和微波法等，其中光谱法是一种非接触式的诊断方法，对等离子体的发光光谱进行研究，诊断等离子体性质。发射光谱法不会对等离子体产生扰动，可以用于等离子体参数及其分布特性的测量，且具有较高的空间分辨率，但比较适用于离子光谱较单一的环境中，若频带太宽应用此法有一定难度，而且一般较难得到电子密度具体数值。探针法中最常用的是朗缪探针，虽然能对等离子体的各个部位进行测量，仪器设备简单，理论和技术较成熟，但是与等离子体直接接触，会对等离子体本身产生一定的扰动，其仅仅在低气压下使用。微波法是通过测得等离子体辐射发出的电磁的参数判断等离子体特性，不会对被诊断的等离子体特性干扰，测得的数据比较精确。但微波法的使用是有局限性的，其测量的动态范围相对较小，空间响应能力不强。对于流注放电，这种大气压下小尺度的等离子体密度空间分布测量装置还未曾提及。
如中国专利201910090618.4公开了一种微波瑞利散射测定流注放电电离波头时变电子密度装置，其特征在于：待测量的等离子体在发射天线与接收天线之间发生瑞利散射，I/Q混频器输出两路时变电压信号，示波器采集并计算等离子体密度的时变特性。虽然采用非直接接触方式，对等离子体放电的扰动小，提高了其测量的有效性和真实性，但其缺点是该装置对流注放电电子密度的不涉及空间位置上的测量。基于此，本发明设计了测定流注电子密度时空演化的超材料聚焦天线，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供测定流注电子密度时空演化的超材料聚焦天线，以解决上述背景技术中提出的空间分布位置不能测量的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：测定流注电子密度时空演化的超材料聚焦天线，包括平面介质透镜阵列、超材料金属单元、聚焦透镜、介质打孔单元和喇叭天线，所述平面介质透镜阵列、超材料金属单元、聚焦透镜和介质打孔单元位于同一平面，所述平面介质透镜阵列是采用多个所述介质打孔单元组成的一维均匀平面介质透镜阵列，所述平面介质透镜阵列位于所述超材料金属单元的内部，所述平面介质透镜阵列嵌入到喇叭天线的开口末端，所述超材料金属单元与喇叭天线的开口末端接触外包裹有聚焦透镜。
优选的，所述平面介质透镜阵列是通过在高介电常数的平面介质透镜上打空气通孔来改变介质材料的等效介电常数。
优选的，所述平面介质透镜阵列中的平面介质透镜采用氧化铝材料。
优选的，所述超材料金属单元中的超材料金属是由相同周期性结构的8*10十字型排列构成。
优选的，所述聚焦透镜包裹所述平面介质透镜阵列中的平面介质透镜和超材料金属单元，且聚焦透镜上设有角锥喇叭，所述聚焦透镜嵌入到角锥喇叭的开口末端，使输出的平面波聚焦于一波束。
优选的，所述聚焦透镜和平面介质透镜阵列之间设有PCB板，所述PCB板上印制了超材料金属单元。
优选的，所述聚焦透镜为棱台状。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在喇叭天线开口处加载平面介质透镜，将喇叭辐射的电离波经过平面介质透镜阵列进行相位调整，转换为平面波出射。通过印制在聚焦透镜和平面介质透镜之间的表面上的超材料金属单元和聚焦透镜，将平面波进行会聚，压缩形成单一的聚焦波束。超材料金属单元利用超材料结构负折射率会聚电磁波的特性，使发散的微波波束聚焦，从而实现发射阵列天线的高增益和高空间合成效率，能够保证天线阵列的传输效率和波束指向性，并能够有效降低天线阵列的反射系数。本发明能够准确的得出电离波的电子密度的空间分布，最终达到实现具有空间分辨率的聚焦天线测量电离波空间分布的电子密度，提高了等离子体密度测量的有效性和真实性，适用范围更广，解决了微波瑞利散射装置不适用于流注放电时电子密度的空间分布测量的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明超材料聚焦天线的结构示意图。
图2为本发明平面介质透镜阵列的结构示意图。
图3为本发明超材料金属单元的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-平面介质透镜阵列，2-超材料金属单元，3-聚焦透镜3，4-介质打孔单元。
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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：测定流注电子密度时空演化的超材料聚焦天线，包括平面介质透镜阵列1、超材料金属单元2、聚焦透镜3、介质打孔单元4和喇叭天线，平面介质透镜阵列1、超材料金属单元2、聚焦透镜3和介质打孔单元4位于同一平面，平面介质透镜阵列1是采用多个介质打孔单元4组成的一维均匀平面介质透镜阵列，平面介质透镜阵列1是由介质打孔的阵列单元构成，阵列单元是在平面介质透镜阵列1的平面介质透镜上均匀打的空气通孔，且在平面介质透镜上采用基于馈源相位中心的相位补偿原理算法进行均匀排布，介质打孔单元4是在10mm厚的平面透镜上均匀地打8×10个孔，孔单元尺寸为6mm×6mm，介质打孔单元4在介质内部均匀设置孔之间的间隔，平面介质透镜阵列1位于超材料金属单元2的内部，超超材料金属单元2在聚焦透镜3和平面介质透镜阵列1的平面介质透镜之间的表面上，由十字型结构阵列构成，平面介质透镜阵列1嵌入到喇叭天线的开口末端，将电离波转换为准平面波，超材料金属单元2与喇叭天线的开口末端接触外包裹有聚焦透镜3，将平面波会聚形成单一波束，从而实现天线的高增益和高空间合成效率。
其中，平面介质透镜阵列1是通过在高介电常数的平面介质透镜上打空气通孔来改变介质材料的等效介电常数，从而起到调节入射波相位延时的作用，转换为平面波出射，平面介质透镜阵列1能将喇叭辐射的电磁波经过平面介质透镜进行相位调整，转换为平面波前出射。
平面介质透镜阵列1中的平面介质透镜和聚焦透镜3均采用氧化铝材料。
超材料金属单元2中的超材料金属是由相同周期性结构的8*10十字型排列构成。
聚焦透镜3包裹平面介质透镜阵列1中的平面介质透镜和超材料金属单元2，且聚焦透镜3上设有角锥喇叭，聚焦透镜3嵌入到角锥喇叭的开口末端，使输出的平面波聚焦于一波束，从而实现天线的高增益和高空间合成效率。
聚焦透镜3和平面介质透镜阵列1之间设有PCB板，PCB板上印制了超材料金属单元2，具有负折射率会聚电磁波的特性，使发散的微波波束也聚焦，超材料金属单元2是印制在厚度为8mm的聚焦透镜3和厚度为10mm平面介质透镜之间的表面上。
聚焦透镜3为棱台状，对微波能量进行会聚压缩，形成单一的波束。
本实施例的一个具体应用为：被测量的等离子体在发射喇叭天线与接收喇叭天线之间发生瑞利散射，喇叭天线的微波散射信号通过平面介质透镜阵列1进行相位调整，转换为平面波出射，在平面介质透镜阵列1和聚焦透镜3之间印制了超材料金属单元2，通过其超材料结构负折射率和会聚电磁波的特性，使发散的微波波束聚焦，调节相应聚焦透镜焦距达到整体聚焦的效果。该天线可以利用微波瑞利散射理论设计一种能准确的测定流注放电电离波头时变电子密度的时变和空间分布的装置。
综上所述，本发明所提供的测定流注电子密度时空演化的超材料聚焦天线，是平面介质透镜和聚焦透镜加载的毫米波喇叭天线，利用介质打孔的阵列单元作为平面介质透镜的基本单元，通过调节各个阵列单元的孔的直径，控制相位分布，实现对喇叭天线发射电磁波的相位补偿作用，从而达到提高其增益和定向性的目的。并且，利用在平面介质透镜上直接打孔的阵列单元的宽带透波特性，有利于提高平面介质透镜的带宽；采用高介电常数的平面介质透镜，有利于降低平面介质透镜的厚度，提高阵列单元的相位补偿能力；采用超材料金属单元是利用超材料结构具有负折射率会聚电磁波的特性，使波束聚焦成单个波束。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (2)

1.测定流注电子密度时空演化的超材料聚焦天线，包括平面介质透镜阵列(1)、超材料金属单元(2)、聚焦透镜(3)、介质打孔单元(4)和喇叭天线，其特征在于：所述平面介质透镜阵列(1)、超材料金属单元(2)、聚焦透镜(3)和介质打孔单元(4)位于同一平面，所述平面介质透镜阵列(1)是采用多个所述介质打孔单元(4)组成的一维均匀平面介质透镜阵列，所述平面介质透镜阵列(1)位于所述超材料金属单元(2)的内部，所述平面介质透镜阵列(1)嵌入到喇叭天线的开口末端，所述超材料金属单元(2)与喇叭天线的开口末端接触外包裹有聚焦透镜(3)，所述平面介质透镜阵列(1)中的平面介质透镜采用氧化铝材料，所述聚焦透镜(3)包裹所述平面介质透镜阵列(1)中的平面介质透镜和超材料金属单元(2)，且聚焦透镜(3)上设有角锥喇叭，所述聚焦透镜(3)嵌入到角锥喇叭的开口末端，使输出的平面波聚焦于一波束，所述聚焦透镜(3)和平面介质透镜阵列(1)之间设有PCB板，所述PCB板上印制了超材料金属单元(2)；
所述平面介质透镜阵列(1)是通过在高介电常数的平面介质透镜上打空气通孔来改变介质材料的等效介电常数；所述超材料金属单元(2)中的超材料金属是由相同周期性结构的8*10十字型排列构成。
2.根据权利要求1所述的测定流注电子密度时空演化的超材料聚焦天线，其特征在于：所述聚焦透镜(3)为棱台状。
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