CN1794516A - 自重构等离子体天线 - Google Patents

Abstract

一种用于通信技术领域的自重构等离子体天线。本发明包括：柱形容器、惰性气体、射频激励天线、射频激励源、信号耦合器、馈电端口、接地板，其特征在于，柱形容器内填充惰性气体，射频激励源和射频激励天线用于激发和维持等离子体，射频激励天线放置在柱形容器的内部或外部，其引出线连接射频激励源，信号耦合器用于将信号耦合到等离子体天线上，放置在柱形容器的外部，其引出线与馈电端口的内导体相连，馈电端口的外导体和接地板相连。本发明具有重量轻、结构简单、易于自重构、低互扰等优点，克服了以往金属导体天线散射面积大、互扰高、长度无法电调节等一系列缺点。

Description

自重构等离子体天线

技术领域

本发明涉及的是一种用于通信技术领域的天线，尤其是一种自重构等离子体天线。

背景技术

传统的天线被定义为用于发射和接收无线电波的金属装置，或者是具有一定形状和结构的金属导体。因此，以往天线的设计均注重于天线的几何结构、物理尺寸、金属材料选择、电气偶合结构、多天线设计、和/或电磁波形的特性，例如天线工作时的传输波长、传输效率、传输波形反射等等。天线的尺寸与其辐射效率密切相关。为了尽可能高效的将能量辐射出去，天线的长度通常为半波长或四分之一波长。从这点意义上讲，以金属作为导体的天线，一旦尺寸确定了，其可工作的频率范围就确定了。为了获得不同的工作频率，必须改变天线导体的长度，例如拉杆天线。但是这种结构的天线无法实现长度的电调节或者电调节的结构太复杂，从而影响天线的性能。最近，人们开始对以等离子体作为导体的天线表现出极大的兴趣。事实上，相比于传统的金属天线，等离子体天线能够被设计得更佳灵活多变。例如，由等离子体天线的辐射性能可以通过多种手段进行控制，包括等离子体密度、等离子体的容器结构、气体类型、外加静磁场和激励电流等等。

经对现有技术的文献发现，美国专利US 6710746提出了一种基于等离子体的长度可以调节的天线。该专利将电流激励的、截面积不均匀的等离子体柱作为天线，当改变激励电流的大小时，不均匀的截面积导致不均匀的电流密度，从而获得不同长度的等离子体。但是，由于天线的辐射是由作为天线的导体的表面电流产生，天线表面的不连续性以及天线本身截面积的不均匀性，会很大程度上影响辐射的效率、波瓣图、方向性等性能。故若能够将均匀截面积的等离子体柱作为天线的导体，将使天线的辐射效率、波瓣图、方向性和重新配置的能力得到很大的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种自重构等离子体天线，使其具有均匀截面积的、以等离子体作为导体的、具有自重构能力的特点。本发明重量轻、结构简单、易于自重构、低互扰，在等离子体未被激发时，不会对入射的其他电磁波形成散射，从而在军用上能够实现对雷达波的隐形；在民用上能够减少天线单元之间的互扰。本发明通过改变等离子体柱的长度，获得长度可以电调节的天线。该天线克服了以往金属导体天线散射面积大、互扰高、长度无法电调节等一系列缺点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：柱形容器、惰性气体、射频激励天线、射频激励源、信号耦合器、馈电端口、接地板。柱形容器内填充气体，当气体电离后可形成等离子体，此时柱形容器内的等离子体柱即可作为天线的导体，发射或接收电磁波。射频激励源和射频激励天线用于激发和维持等离子体，射频激励天线放置在柱形容器的内部或外部，其引出线连接射频激励源。射频激励源工作时，射频激励天线周围将产生射频蜗旋电场，柱形容器内的气体在蜗旋电场的作用下，能够激发并形成等离子体。改变射频激励源的输出功率，就可以改变蜗旋电场的大小，从而改变容器内等离子体柱的长度。信号耦合器用于将信号耦合到等离子体天线上，放置在柱形容器的外部，其引出线与馈电端口的内导体相连。馈电端口的外导体和接地板相连。

柱形容器的横截面积沿轴向是均匀的，内部填充惰性气体。惰性气体电离成等离子体后，可看作导体。以此均匀导体作为天线，在工作时，其表面产生的电流是均匀而连续的，这就可以使得天线的辐射效率比横截面积不均匀的情况下得到明显提高。柱形容器的长度决定了天线的最大工作长度，容器内部气体完全电离时，天线的工作波长最长。当容器内气体部分电离时，电离气体形成的等离子体柱的长度就是天线的工作长度。单个柱形容器可组成鞭形自重构等离子体天线，两个柱形容器结合相应的馈电系统可组成自重构等离子体对称振子天线，多个柱形容器结合相应的馈电系统可组成自重构等离子体天线阵列。

射频激励天线为多匝线圈或环。射频激励源为500W的射频功率源，其输出能量连续可调。射频激励源产生13.5MHz的射频电压，通过引线连接到射频激励天线，在射频激励天线上产生射频电流。射频激励天线产生蜗旋电场，在电场的作用下，气体可以电离形成等离子体。为了进一步提高轴向均匀性，采用多个激励天线(分布式激励)，这些射频激励天线可以并联或串联，并且放置在不同的位置。在并联时，可以控制射频激励天线同时工作或独立工作。通过改变射频激励源的输出功率，改变并联时工作的射频激励天线个数，就可以改变等离子体柱的长度。

信号耦合器为具有一定宽度的环形金属，放置在容器外部，馈电端口的内导体与信号耦合器相连，外导体与接地板相连。在这种结构下，信号耦合器与等离子体柱之间的信号耦合方式为电容耦合(CCP)。

本发明和现有技术相比，其效果是显著和突出的。本发明因为采用等离子体作为天线的导体，可以有效地抑制天线在工作时的互扰，消除天线在不工作时的雷达散射问题。同时，采用等离子体作为导体的天线，通过变化气体的密度、种类，能够获得更好的自重构能力。本发明通过采用射频激励天线来激发和维持等离子体，这种产生等离子体的方法通常称为TCP(变压器耦合)，其产生的等离子体，与传统的两端激励辉光放电产生的等离子体相比，具有非常低的噪声性能，从而使得等离子体应用于天线领域成为可能。采用分布式TCP(变压器耦合)激励的方法相比于单环耦合(CCP，电容耦合)激励的方法，可以获得更好的轴向均匀性，并且在并联的情况下，可以独立的控制激励天线的开关，获得更为灵活的自重构配置能力。通过改变射频激励源的输出功率，可以非常方便的改变等离子体柱的长度，从而使得天线具有长度自重构能力。通过改变天线阵列中单个天线单元的等离子柱长度，或者改变天线阵列中天线单元的开关，可以获得具有长度自重构和阵列单元自重构能力的天线阵列。

附图说明

图1是本发明鞭形自重构等离子体天线的结构图。

图2是本发明双振子形自重构等离子体天线的结构图。

图3是由鞭形自重构等离子体天线组成的四单元天线阵列的结构图。

图中，柱形容器1、惰性气体2、射频激励天线3、射频激励源4、信号耦合器5、馈电端口6、接地板7。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：柱形容器1、惰性气体2、射频激励天线3、射频激励源4、信号耦合器5、馈电端口6、接地板7。柱形容器1内填充惰性气体2，当气体电离后可形成等离子体，此时柱形容器内的等离子体柱即可作为天线的导体，发射或接收电磁波。射频激励源4和射频激励天线3用于激发和维持等离子体，射频激励天线3放置在柱形容器的内部或外部，其引出线连接射频激励源4。射频激励源4工作时，射频激励天线3周围将产生射频蜗旋电场，柱形容器1内的气体在蜗旋电场的作用下，能够激发并形成等离子体。改变射频激励源4的输出功率，就可以改变蜗旋电场的大小，从而改变容器内等离子体柱的长度。信号耦合器5用于将信号耦合到等离子体天线上，放置在柱形容器1的外部，其引出线与馈电端口6的内导体相连。馈电端口6的外导体和接地板7相连。

所述的柱形容器1是一个长直形的容器，横截面积沿轴向是均匀的，采用玻璃材质，能够约束内部的惰性气体2形成等离子体。该容器的截面积为圆形。在柱形容器1内部填充有惰性气体2，能够在放电后形成等离子体，包括氩气、氖气、氦气、氪气、氙气和氢气，除此以外，能够放电后形成等离子体的金属蒸汽例如水银蒸气也可以被采用。

所述的射频激励天线3为多匝线圈，由紫铜或其它具有良好导电能力的导线/导管组成，也可以由具有一定宽度的扁平状紫铜或其它具有良好导电能力的导带组成。射频激励天线3可以由一个线圈组成，也可以由多个线圈串联或并联组成，放置在靠近端部的位置。

射频激励天线3可以放置在柱形容器1的外部，也可以放置在其内部。当放置在外部时，射频激励天线3的内径略大于柱形容器1的外径；当放置在内部时，射频激励天线3的外径略小于柱形容器1的内径。射频激励源4连接射频激励天线3的引出线。由射频激励源4产生的射频电压转化为射频激励天线3上的射频电流，由射频电流产生的蜗旋电场能够激发和维持柱形容器1内部的惰性气体2电离，形成等离子体。射频激励源4工作在13.5MHz，其输出功率为500W连续可调。通过改变输出功率，以及在射频激励天线3为并联形式时改变工作的激励天线个数，可以改变气体的电离程度，从而获得长度可电调节的自重构天线单元。当射频激励源4的输出功率由小变大时，柱形容器1内部的气体长度增加方向为从靠近射频激励天线3的端部向远离激励天线的端部扩散。

当柱形容器1内部的惰性气体2已经电离，形成等离子体的情况下，馈电端口6和信号耦合器5将发射机的信号耦合到天线或者将天线的信号耦合到接收机。信号耦合器5为具有一定宽度的环形金属，由紫铜或其它具有良好导电能力的扁平金属片制成。信号耦合器5放置于柱形容器1外部，其内径略大于柱形容器1的外径。馈电端口6的内导体和信号耦合器5相连，外导体和接地板7相连。馈电端口6可以用于连接发射机/接收机，这些发射机/接收机可以工作在EHF、SHF、UHF、VHF、HF和MF波段的无线电频率上，包括进行AM或FM以及数字扩频调制，还可以工作在LF、VLF、ULF、SLF、ELF等低频率上，以及任何其他已知的电磁波谱。并且，这套天线系统既能够发射和接收连续波形，也可以发射和接收脉冲波形。

图2是另一种形式的自重构等离子体天线。是由两个本发明自重构等离子体天线组成，即包含两个柱形容器1，两个射频激励天线3、两个射频激励源4、两个信号耦合器5、馈电端口6组成。两个柱形容器1水平放置，端部相对，构成一个对称振子天线。容器内部填充相同类型、气压的惰性气体2。两个射频激励天线3分别对称地放置于柱形容器1靠近端部的位置，射频激励天线3的引出线连接射频激励源4。改变射频激励源4的输出功率时，可以同步的改变两个柱形容器1内部惰性气体2的电离程度，从而产生长度同步变化的导体。两个信号耦合器5分别对称地放置于柱形容器1靠近端部的位置，信号耦合器5的结构如前所述。馈电端口6的内导体连接一个信号耦合器5的引出线，外导体连接另一个信号耦合器5的引出线，如此构成一个自重构等离子体对称振子天线。

图3是一个由四个本发明自重构等离子体天线形成的阵列。该阵列能够在中央控制单元8的控制下进行自重构，从而获得多种天线阵列的配置。例如，可以选择性的关闭其中若干个天线单元，仅仅开启特定位置的天线单元。这可以通过控制射频激励源4输入到柱形容器1的能量来得到。还可以通过控制输入到柱形容器1的能量大小，来改变等离子体柱的长度，从而改变单个天线单元的长度，达到改变天线单元谐振频率的目的。还可以结合上述两种方法，同时对单元数目和单元排列以及单个单元的谐振频率进行受控的改变，从而获得需要的谐振频率、辐射波瓣图、方向性等天线参数。

Claims (10)

1、一种自重构等离子体天线，包括：柱形容器(1)、射频激励天线(3)、射频激励源(4)、信号耦合器(5)、馈电端口(6)、接地板(7)，其特征在于，柱形容器(1)内填充惰性气体(2)，或者是能够放电后形成等离子体的金属蒸汽，射频激励源(4)和射频激励天线(3)用于激发和维持等离子体，射频激励天线(3)放置在柱形容器的内部或外部，其引出线连接射频激励源(4)，信号耦合器(5)用于将信号耦合到等离子体天线上，放置在柱形容器(1)的外部，其引出线与馈电端口(6)的内导体相连，馈电端口(6)的外导体和接地板(7)相连。

2、根据权利要求1所述的自重构等离子体天线，其特征是，所述的柱形容器(1)是一个长直形的容器，横截面积沿轴向是均匀的，采用玻璃材质，能够约束内部的惰性气体(2)形成等离子体。

3、根据权利要求1或者2所述的自重构等离子体天线，其特征是，所述的惰性气体(2)包括氩气、氖气、氦气、氪气、氙气和氢气。

4、根据权利要求1所述的自重构等离子体天线，其特征是，所述的射频激励天线(3)为多匝线圈，由具有良好导电能力的导线/导管组成，或由具有良好导电能力的导带组成。

5、根据权利要求1或者4所述的自重构等离子体天线，其特征是，所述的射频激励天线(3)由一个线圈组成，或由多个线圈串联或并联组成，放置在靠近端部的位置。

6、根据权利要求1或者4所述的自重构等离子体天线，其特征是，所述的射频激励天线(3)放置在柱形容器的内部或外部，当放置在外部时，射频激励天线(3)的内径大于柱形容器(1)的外径；当放置在内部时，射频激励天线(3)的外径小于柱形容器(1)的内径。

7、根据权利要求1所述的自重构等离子体天线，其特征是，所述的射频激励源(4)，工作频率为13.5MHz，其输出功率为500W连续可调，通过改变输出功率，以及在射频激励天线(3)为并联形式时改变工作的激励天线个数，能改变气体的电离程度，从而获得长度可电调节的自重构天线单元。

8、根据权利要求1或者7所述的自重构等离子体天线，其特征是，当射频激励源(4)的输出功率由小变大时，柱形容器(1)内部的气体长度增加方向为从靠近射频激励天线(3)的端部向远离激励天线的端部扩散。

9、根据权利要求1所述的自重构等离子体天线，其特征是，信号耦合器(5)为环形金属，由扁平金属片制成，信号耦合器(5)内径大于柱形容器(1)的外径。

10、根据权利要求1所述的自重构等离子体天线，其特征是，馈电端口(6)用于连接发射机/接收机。

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