CN202308283U

CN202308283U - 一种磁控波束可变的等离子体天线阵列

Info

Publication number: CN202308283U
Application number: CN2011202994193U
Authority: CN
Inventors: 胡斌杰; 周双
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2021-08-17

Abstract

本实用新型公开一种磁控波束可变的等离子体天线阵列，由多个磁控等离子体天线单元组成。多个磁控等离子体天线单元可以排列成圆形阵列，直线阵列，矩形阵列或半圆形阵列。所述磁控等离子体天线单元包括介质管、惰性气体、激励馈电环、信号馈电环、电磁铁和接地板；在各个磁控等离子体天线单元的激励馈电环上施加相同的射频激励功率对惰性气体进行单端激励产生等离子体柱；在各个磁控等离子体天线单元的信号馈电环上施加相同幅度和相位的通信信号。磁控波束可变的等离子体天线阵列通过控制器调节各个磁控等离子体天线单元的电磁铁的磁场强度，进而控制各个磁控等离子体天线单元的辐射性能，实现对整个天线阵列的辐射波束的动态控制。

Description

一种磁控波束可变的等离子体天线阵列

技术领域

本实用新型涉及无线通信领域的天线，尤其是一种磁控波束可变的等离子体天线阵列。

背景技术

现代通信天线正在向着频率可重构和方向图可重构的智能天线方向发展。智能天线能够在不同方向动态控制辐射强度，从而可以成倍地扩展通信系统容量。等离子体天线可以实现辐射方向图的控制和动态重构，是一种具有良好发展前景的智能天线技术。与传统天线相比，等离子体天线采用等离子体替代普通金属来传导和辐射电磁波。等离子体天线在工作时，可以发射或接受无线电信号，而在不工作时，天线呈现绝缘电介质特性，雷达散射截面极小。等离子体天线具有质量轻、体积小、可重构、造价低的显著优点。

在商用上，采用等离子体天线的通信设备可以更好地控制天线的辐射特性。由于采用等离子体作为天线材料,等离子体的密度、碰撞频率等参数都可以动态进行调整。这样可以使天线阻抗、带宽、方向图、辐射功率在较宽范围内动态改变。相比普通相控天线阵,等离子天线阵列不用活动部件就能高速地进行辐射方向图扫描。

在军事上，等离子体天线可以提高军事设施的雷达隐蔽性能。因为采用等离子体材料传导和辐射电磁信号,所以可以在需要的时候才激发产生等离子体，发射军事通信信号;其余时间不激发等离子体,此时等离子体相当于一般惰性气体，不会吸收或散射雷达信号,从而实现对雷达隐身。

与单个等离子体天线相比较，等离子体天线阵列的可控范围更宽，性能更优越。目前已有等离子体天线阵列技术一般采用相移阵、调节射频激励功率或是调节工作天线数目的方式对等离子体天线阵列的辐射性能进行动态控制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种馈电方式简单，辐射特性快速可调的磁控波束可变的等离子体天线阵列。

为实现本实用新型的目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种磁控波束可变的等离子体天线阵列，包括多个磁控等离子体天线单元；磁控等离子体天线单元包括介质管、惰性气体、激励馈电环、信号馈电环、电磁铁和接地板；介质管中封装有惰性气体；激励馈电环和信号馈电环是金属圆环，环绕在介质管下端的外部，激励馈电环设置在信号馈电环的上方；介质管的正下方依次设置电磁铁和接地板，电磁铁设置在介质管与接地板之间；多个磁控等离子体天线单元的激励馈电环通过导线与射频激励电源相连，射频激励电源为各个磁控等离子体天线单元提供相同的射频激励功率；多个磁控等离子体天线单元的信号馈电环通过导线与信号馈电端口相连，信号馈电端口的通信信号等幅同相地馈入各个磁控等离子体天线单元；各个磁控等离子天线的电磁铁通过导线与控制器相连；控制器用于分别调节各个磁控等离子体天线单元的电磁铁的磁场强度，改变对应的磁控等离子体天线单元的介质管中的等离子体的物理特性，进而控制磁控等离子天线单元的辐射性能；磁控波束可变的等离子体天线阵列通过控制器调节各个磁控等离子体天线单元的电磁铁的磁场强度，调整各个磁控等离子体天线单元的辐射性能，实现整个天线阵列的辐射波束的动态控制。

上述的磁控波束可变的等离子体天线阵列中，所述接地板是圆形的金属平板。

上述的磁控波束可变的等离子体天线阵列中，介质管是中空的柱形管。

上述的磁控波束可变的等离子体天线阵列中，激励馈电环和信号馈电环的内径与介质管的外径相同。

上述的磁控波束可变的等离子体天线阵列中，多个磁控等离子体天线单元排列成圆形阵列、直线阵列、矩形阵列或半圆形阵列。

上述的磁控波束可变的等离子体天线阵列中，所述磁控等离子体天线单元的电磁铁的磁场强度连续可调。

上述的磁控波束可变的等离子体天线阵列中，所述介质管的长度设置为λ/4, 其中λ=c/f, c为真空中的光速，f为磁控波束可变的等离子体天线阵列的工作频率，即通信信号的工作频率。

上述的磁控波束可变的等离子体天线阵列中，介质管中封装有惰性气体和水银蒸汽的混合物。

上述的磁控波束可变的等离子体天线阵列中，所述惰性气体为氩气、氖气、氦气、氪气或氙气。

作为上述磁控波束可变的等离子体天线阵列的优选方案，所述激励馈电环的材料为导电性能良好的金属；射频激励电源输出10-30MHz的正弦波信号；介质管的长度被设置为λ/4, 其中λ=c/f, c为真空中的光速，f为磁控波束可变的等离子体天线阵列的工作频率，即通信信号的工作频率；介质管由玻璃或者耐热塑料制成，厚度为0.5mm-4mm；接地金属板的半径与介质管的长度之比小于0.1；信号馈电环设置在介质管底端之上的8mm-12mm，激励馈电环设置在信号馈电环之上3mm-6mm；惰性气体优选氩气、氖气、氦气、氪气或氙气；惰性气体的压强为10mTorr-10Torr；惰性气体中还可掺入水银蒸汽；电磁铁的磁场强度连续可调。

射频激励源的高功率射频信号通过激励馈电环对介质管中的惰性气体进行激励,使得介质管中的惰性气体被电离成等离子离子体柱。同时，来自信号馈电端口的等幅同相的通信信号通过信号馈电环施加到等离子体柱上，以表面波的形式传导并且辐射出去。多个磁控等离子体天线单元排列起来同时工作构成磁控波束可变的等离子体天线阵列。当磁控波束可变的等离子体天线阵列工作时，所有磁控等离子体天线单元同时受到相同的射频激励处于工作状态，而且每个天线单元上都同时馈入通信信号。当磁控等离子体天线单元的电磁铁的磁场增大时，介质管中的等离子体受到更强的磁场作用，等离子体具有更高的导电率，辐射性能增强。控制器调节各个磁控等离子体天线单元的电磁铁的磁场强度，使部分磁控等离子体天线单元具有比其他天线单元更强的辐射，进而使得整个天线阵列的辐射方向图发生改变。通过调节各个磁控等离子体天线单元的电磁铁的磁场强度，就能在一定方向上产生较强的方向图指向性,所以磁控波束可变的等离子体天线阵列的辐射方向图可以在天线单元分布的平面上进行波束扫描。

多个磁控等离子体天线单元可以排列成圆形阵列，直线阵列，矩形阵列或半圆形阵列，并且通过控制器调节各个磁控等离子体天线单元的辐射特性，从而获得所需要的辐射波瓣图，方向性等天线参数。

本实用新型与现有等离子体天线技术相比，已有等离子体天线阵列一般采用相移阵、调节射频激励功率或是调节工作天线数目的方式改变天线阵列的辐射特性，可调射频激励电源和相移阵的成本昂贵。磁控波束可变的等离子体天线阵列通过调节各个磁控等离子体天线单元的电磁铁的磁场强度，可以灵活地对各个磁控等离子体天线单元的等离子体的电导率和辐射强度进行动态调整，因此其辐射特性的可控性更宽、更快速，并且成本更低。同时，磁控波束可变的等离子体天线阵列的各个天线单元同时被激励成为等离子体天线，而且通信信号都等幅同相地馈入到天线单元上，所以各个天线单元是同时工作的，这样可以具有较高的辐射方向性系数。磁控波束可变的等离子体天线阵列的方向图可以指向所需要的方向，辐射方向图具有可控制性，能够将辐射功率集中在需要的方向上，因此方向性系数更高。

本实用新型与普通金属天线阵列相比，磁控波束可变的等离子体天线阵列的馈电采用等幅同相馈电方式，这样免去了金属天线阵列对各个天线单元的馈电端口的相位控制电路的复杂性、不稳定性和成本高特性；另外，磁控波束可变的等离子体天线阵列通过改变天线单元的电磁铁的磁场大小，等离子体电导率随之变化，从而影响天线阵列的方向图指向性，这是一种电控的波束扫描，可以实现方向图的快速动态重构。

附图说明

图1是磁控波束可变的等离子体天线阵列的磁控等离子子天线单元的结构示意图。

图2是8单元的磁控波束可的等离子体圆形阵列的俯视示意图。

图3是4单元的磁控波束可的等离子体直线阵列的俯视示意图。

图4是6单元的磁控波束可的等离子体矩形阵列的俯视示意图。

图5是5单元的磁控波束可的等离子体半圆阵列的俯视示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下例表述的范围。

一种磁控波束可变的等离子体天线阵列包括了多个磁控等离子体天线单元1，多个磁控等离子体天线单元1可以排列成圆形阵列，直线阵列，矩形阵列或半圆形阵列。磁控等离子体天线单元1的数量一般为4至8个。

如图1所示，磁控等离子体天线单元1包括介质管2、惰性气体3、激励馈电环4，信号馈电环5，电磁体6，接地板7;介质管2可以由玻璃或者耐热塑料制成，介质管2是中空的圆柱管，厚度优选0.5mm-4mm，其中封装了惰性气体3，长度优选为λ/4，可以使磁控等离子体单元1具有较高的辐射强度；激励馈电环4和信号馈电环5是金属圆环，环绕在介质管2下端的外部，其内径与介质管2的外径相同；激励馈电环4设置在信号馈电环5的上方；介质管2的正下方依次设置电磁铁6和接地板7，电磁铁6介于介质管2和接地板7之间；接地板7是圆形的金属板，其半径与介质管2的长度之比优选小于0.1；信号馈电环5优选设置在电磁铁6之上的6mm-12mm，激励馈电环4优选设置在信号馈电环5之上3mm-6mm。多个磁控等离子体天线单元1的激励馈电环4通过导线与射频激励电源10相连，射频激励电源10为每个磁控等离子体天线单元1提供相同的射频激励功率；多个磁控等离子体天线单元1的信号馈电环5通过导线与信号馈电端口9相连，用于将来自信号馈电端口9的通信信号馈入各个磁控等离子体天线单元1；信号馈电端口9用于连接信号发射机或者接收机；多个磁控等离子体天线单元1的电磁铁6通过导线与控制器8相连，控制器8通过控制各个电磁铁6的电流大小改变电磁铁的磁场强度。控制器8包括单片机控制电路和多个输出电流可调的直流电源；直流电源与电磁铁6通过导线相连，为电磁体6提供直流电；直流电源输出的电流增大时，电磁铁6的磁场变强；直流电源输出的电流减小时，电磁铁6的磁场变弱；各个直流电源的输出电流大小由单片机控制电路调节。

激励馈电环4和信号馈电环5的材料为导电性能良好的金属。激励馈电环4对惰性气体3进行单端激励以产生表面波驱动的等离子体柱。射频激励电源10可输出10-30MHz的正弦波信号。来自信号馈电端口9的通信信号通过信号馈电环5等幅同相地馈入阵列中的每个磁控等离子体天线单元1中。

介质管2内部充填的惰性气体3被激励馈电环4激发成为等离子体柱，成为磁控等离子体天线单元1的电磁波传导煤质；各个磁控等离子体天线单元1的电磁铁6的磁场强度由控制器8控制，实现对各个等离子体天线单元1的等离子体的磁化强度的单独控制；通过控制电磁铁6的磁场调节各个磁化等离子体天线单元1中的等离子体的导电率，引起该磁控等离子体天线单元1辐射或者接受通信信号强度的变化；阵列中的一些磁控等离子体天线单元辐射或者接受通信信号强度增大，会使得整个天线阵列的辐射方向图具有明显的指向性，从而使天线阵列的辐射波束可变。

磁控波束可变的等离子体天线阵列工作时，各个磁控等离子体天线单元1都受到射频激励电源10的作用；用于辐射信号时，等幅同相的通信信号从信号馈电端口9通过信号馈电环5与磁控等离子体天线单元1耦合，使得各个磁控等离子体天线单元1同时辐射通信信号。磁控波束可变的等离子体天线阵列不工作时，射频激励电源10和信号馈电端口9都关闭，介质管2中的等离子体回复为惰性气体3，其雷达散射截面极小，从而使磁控波束可变的等离子体天线阵列具有雷达隐身性能。

磁控等离子体天线单元1的长度在电长度为λ/4时具有较好的辐射性能，磁控等离子体天线单元1的介质管2的长度被设置为λ/4，其中λ=c/f, c为真空中的光速，f为磁控波束可变的等离子体天线阵列的工作频率，即通信信号的工作频率。对于250MHz的工作频率，介质管2的长度为300mm，从而使其中受激生成等离子体的长度约为300mm,即对应电长度为λ/4。介质管2中充入的惰性气体3可以选择氩气、氖气、氦气、氪气或者氙气，另外也可以在其中掺入水银蒸汽。惰性气体3的气压压强为10mTorr-10Torr。

磁控波束可变的等离子体天线阵列用于辐射时，所有介质管2中的惰性气体3都被激励馈电环4电离为等离子体，通信信号从信号输入端口9输入到信号馈电环5并且馈入等离子体天线单元1。通过控制器8调整各个等离子体天线单元1上的电磁铁6的磁场大小，可以使其中的等离子体的电导率发生变化；电磁铁6的磁场增大时，介质管2中的等离子体的电导率上升，所对应的磁控等离子体天线单元1的辐射强度增大。通过控制器8控制阵列中不同位置上的磁控等离子体天线单元1的电磁铁6的磁场强度，可以使得磁控波束可变的等离子体天线阵列总的辐射方向图在一定方向上具有明显的指向性，从而可以实现整个天线阵列的辐射波束的动态控制。

多个磁控等离子体天线单元1可以排列成圆形阵列，直线阵列，矩形阵列或半圆形阵列，如图2所示的由8个磁控等离子体天线单元1在一个圆环上均匀排列分布构成圆形阵列；如图3所示的4单元的磁控波束可的等离子体直线阵列；图4所示的6单元的磁控波束可的等离子体矩形阵列；图5所示的5单元的磁控波束可的等离子体半圆阵列；各种排列形式的磁控波束可变的等离子体天线阵列通过控制器调节各个磁控等离子体天线单元的辐射特性，从而获得所需要的辐射波瓣图，方向性等天线参数。

以上所述仅为本实用新型的较佳实例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种磁控波束可变的等离子体天线阵列，其特征在于包括多个磁控等离子体天线单元；磁控等离子体天线单元包括介质管、惰性气体、激励馈电环、信号馈电环、电磁铁和接地板；介质管中封装有惰性气体；激励馈电环和信号馈电环是金属圆环，环绕在介质管下端的外部，激励馈电环设置在信号馈电环的上方；介质管的正下方依次设置电磁铁和接地板，电磁铁设置在介质管与接地板之间；多个磁控等离子体天线单元的激励馈电环通过导线与射频激励电源相连；多个磁控等离子体天线单元的信号馈电环通过导线与信号馈电端口相连，信号馈电端口的通信信号等幅同相地馈入各个磁控等离子体天线单元；各个磁控等离子天线的电磁铁通过导线与用于调节各个电磁铁磁场强度的控制器相连。

2.根据权利要求1所述的磁控波束可变的等离子体天线阵列，其特征在于接地板是圆形的金属平板。

3.根据权利要求1所述的磁控波束可变的等离子体天线阵列，其特征在于介质管是中空的柱形管。

4.根据权利要求3所述的磁控波束可变的等离子体天线阵列，其特征在于激励馈电环和信号馈电环的内径与介质管的外径相同。

5.根据权利要求1所述的磁控波束可变的等离子体天线阵列，其特征在于多个磁控等离子体天线单元排列成圆形阵列、直线阵列、矩形阵列或半圆形阵列。

6.根据权利要求1所述的磁控波束可变的等离子体天线阵列，其特征在于：所述介质管的长度设置为λ/4, 其中λ=c/f, c为真空中的光速，f为磁控波束可变的等离子体天线阵列的工作频率，即通信信号的工作频率。

7.根据权利要求6所述的磁控波束可变的等离子体天线阵列，其特征在于介质管由玻璃或者耐热塑料制成，厚度为0.5mm-4mm；接地金属板的半径与介质管的长度之比小于0.1；信号馈电环设置在介质管底端之上的8mm-12mm处，激励馈电环设置在信号馈电环之上3mm-6mm。