趙建森 張芝濤， 王 健 徐曉文 俞 哲

（1.大連海事大學輪機工程學院，遼寧 大連 116026；2.大連海事大學物理系，遼寧 大連 116026）

引 言

等離子體天線是利用等離子體來代替金屬作為天線元的射頻天線［1-2］。對于高密度等離子體，電磁波的趨夫深度很小，等離子體的導電性能與金屬天線類似，電磁波將會沿著柱形等離子體傳播，可作為天線進行電磁波信號的發(fā)射與接收。與傳統(tǒng)金屬天線相比，等離子體天線具有許多它獨有的特性［2-5］，如隱身特性，當不需要進行通信時，雷達散射截面（RCS）接近于0，可以滿足天線隱身的需求。再者通過改變等離子體天線內部的參數(shù)，可以動態(tài)改變天線的輻射方向圖、增益、帶寬等特性，實現(xiàn)天線的動態(tài)重構［4-5］。

正是由于等離子體天線相對于傳統(tǒng)天線擁有其不可比擬的優(yōu)勢，國際上許多科研機構都已對等離子體天線展開了如火如荼的研究。在國外如美國、澳大利亞、法國等已有實用裝置應用于實戰(zhàn)試驗，并申請了大量的專利［2-3，6-9］。國內許多研究機構也做了大量的理論和實驗研究工作［1，3-5，10-15］，如表面波等離子體天線的物理特性研究，對等離子體天線在較窄頻帶內天線性能的測試，等離子體天線阻抗、方向圖、增益的理論計算以及電磁波和等離子體相互作用研究等。但對天線帶寬特性的報道很少。本文設計了等離子體天線實驗系統(tǒng)，在較寬的頻帶范圍內對柱形等離子體天線阻抗帶寬特性和輻射特性進行了實驗研究，得出的結果為寬頻帶柱形等離子體天線的構建提供參考。

1.基本原理

低氣壓氣體放電所產生的等離子體為非磁化冷等離子體，是典型的色散媒質［11］。在等離子體中，電磁波的傳播特性與相對介電常數(shù)εr密切相關，相對介電常數(shù)可以表示為

式中:ν為等離子體電子和中性粒子的碰撞頻率；ω為入射電磁波的角頻率；ωpe為等離子體角頻率；其表達式為

式中:ne為等離子體電子密度；me為電子質量；ε0為真空介電常數(shù)。對于低溫等離子體，可假設ν等于0.則相對介電常數(shù)可以寫成

從式（3）可以看出，當信號頻率大于等離子體頻率時，相對介電常數(shù)0＜εr＜1，則電磁波可以穿過等離子體。當信號頻率小于等離子體頻率時，相對介電常數(shù)εr＜0.電磁波不能在等離子體中傳播，而是在等離子體外表面與介質管內表面之間以表面波的形式傳播，且沿徑向傳播的電磁波迅速衰減。這時，等離子體可以作為天線進行電磁波的傳播。當信號在等離子體中以表面波的形式傳播時，如果是均勻等離子體，沿等離子體柱的表面波波矢k可以由下式得到［5，11-12］:

式中:I（·）與K（·）分別為第一、第二類修正貝塞爾函數(shù)；α為等離子體柱半徑；T2p=k2-εrk20，T20=k2-k20，k為等離子體波矢，k0=ω／c為自由空間波矢。通過理論證明可得到:當ω／ωpe非常小時，相位常數(shù)接近自由空間的波數(shù)，而衰減常數(shù)非常小，此時等離子體的性質如同金屬。通過調整等離子體參數(shù)使得在電子密度足夠大時，可將等離子體作為天線進行通信。

2.實驗系統(tǒng)

圖1為柱形等離子體天線測量系統(tǒng)，天線主體為充有氬氣的石英管，長度為1m，直徑為12mm.經具有較高精度的麥氏真空計測量，氣壓為550 Pa.信號發(fā)生器（Agilent，N9310，9kHz～3.0GHz）發(fā)射的功率為10dBm，即10mW，與發(fā)射天線相連接。金屬發(fā)射天線與信號發(fā)生器之間用特性阻抗50Ω的同軸線相連，目的是與信號發(fā)生器的射頻端口匹配。天線與信號源之間接有阻抗匹配電路，以確保在50～450MHz信號頻率范圍內的駐波比小于1.5.采用了傳統(tǒng)的比較法對天線增益進行測量。標準天線在150～433MHz之間的增益為3.7～4.4dBi.等離子體天線連接頻譜分析儀（N9010A，Agilent，9kHz～3.6GHz）或矢量網絡分析儀（E5071C，Agilent，9kHz～4.5GHz）.等離子體天線和網絡分析儀之間未加匹配電路，以便于研究天線的工作頻帶和阻抗特性。利用遠場測量的方法對方向圖進行測量。測量完數(shù)據之后，將等離子體天線與發(fā)射天線對調，即將信號源直接連接等離子體天線，而頻譜分析儀連接金屬天線，分析儀和金屬天線之間連有匹配電路。對兩種情況下等離子體天線的相對增益進行了比較，得出結論。

圖1 等離子體天線接收特性測量的實驗裝置圖

3.實驗結果與分析

3.1 柱形等離子體天線的阻抗特性

利用矢量網絡分析儀，對等離子體天線阻抗Z=R+j X進行了測量。從圖2可以看出:等離子體天線工作時當頻率在170～270MHz內，等離子體天線的阻抗值隨頻率的變化非常平緩，電阻R接近50Ω而電抗X接近0.網絡分析儀輸出端口的特性阻抗與傳輸線的特性阻抗均為50Ω，這說明能夠在該頻段內容易實現(xiàn)阻抗匹配。圖3中的駐波比曲線則是更好地體現(xiàn)了等離子體天線的寬帶阻抗特性。實驗頻率范圍與阻抗特性測量的頻率范圍相同。當未開啟等離子體天線時，駐波比在該頻段非常大，在較低頻段時甚至超過了40.當?shù)入x子體天線工作時，情況明顯不同。駐波比大幅度減小，在167～280MHz頻率范圍內的駐波比VSWR均低于2，接近1.5.頻帶寬度為113MHz，是一種具有寬帶阻抗特性的天線。與相同結構和尺寸的金屬天線相比，兩款天線均沒有施加匹配電路的情況下，金屬天線只是在一定的頻率范圍內駐波比接近1，頻帶寬度小于10MHz，不足等離子體天線帶寬的十分之一。這說明，等離子體天線不僅在隱身方面具有金屬天線無法替代的優(yōu)勢，同時也表現(xiàn)出了很好的寬頻帶阻抗特性。

圖4 等離子體天線作接收／發(fā)射天線時的相對增益

等離子體天線作為發(fā)射和接收天線的相對增益測試結果如圖4所示。等離子體天線連接信號發(fā)生器時頻譜分析儀接收信號的功率略大于連接頻譜儀時頻譜儀接收信號的功率，兩者功率的差值大小不一，最大的相差2dB.該實驗結果經不同時間、不同實驗場所多次實驗驗證。為何會出現(xiàn)這一情況呢？主要原因在于:電磁波信號對電子溫度電子密度產生影響實際上是高頻電磁場對等離子體中的電子和離子產生了作用力［14］，使帶電粒子在電磁場中不斷獲得加速度。在電磁場的作用下，等離子體中帶電粒子在高頻電場的作用下顯然也要做高頻振蕩，在粒子密度足夠高，電子與中性粒子碰撞不可忽略的情況下必然加劇粒子間的碰撞過程。電子與中性粒子的碰撞加劇，碰撞次數(shù)隨入射電磁波頻率的增加而提高，進而提高了等離子體的電離度，電子密度隨電磁波頻率的提高而增加。等離子體的電子密度增加，提高了天線的導電性，這使得等離子體天線在連接信號發(fā)生器時的增益略高于連接頻譜儀的增益。設想，如果信號源的功率繼續(xù)增大，有可能關閉天線激勵源而只通過信號源就可以維持等離子體天線的正常工作，這樣便節(jié)省了能源，該項工作正在研究中。表1為柱形等離子體天線與相同結構和尺寸的柱形金屬天線的相對增益，金屬天線配有匹配電路，使駐波比在寬帶范圍內低于1.5.實驗中的參考天線為在144～430MHz增益為3.7～4.4dBi的標準增益天線，通過比較法對兩款天線的增益進行測量。實驗頻率范圍在160～200MHz之間?？梢钥闯鲈谠擃l段內，等離子體天線的增益可與金屬天線相媲美。甚至在有些頻段內，等離子體天線增益略高于金屬天線。本實驗中等離子體的電子密度約為1.75×1016m-3，等離子體頻率f的計算公式［14］為

利用式（5）計算等離子體的頻率f約為1.18 GHz，遠大于試驗信號的頻率，可以作為天線進行通信。隨著電磁波的頻率繼續(xù)增大，等離子體天線的似金屬性越來越差。因此，實驗發(fā)現(xiàn)，當電磁波頻率大于290MHz時，等離子體天線的增益較金屬天線越來越差，需要調整放電狀態(tài)增加電子密度滿足通信要求。

表1 等離子體天線與金屬天線的增益

3.3 柱形等離子體天線的方向圖

參照金屬天線的遠場測量方法，測試場地設置在空曠的野外，進行遠場輻射方向圖的測量。由于是測量柱形等離子體天線的方向圖，在H面天線的各個方向所接收的功率相差不大，為全向性天線。因此，只測量了天線的E面方向圖。圖5表示的是試驗頻率在200MHz時，等離子體天線和具有相同結構和尺寸的金屬天線E面歸一化方向圖的理論值和實驗值?？梢钥闯觯瑑煽钐炀€的方向圖測量值非常接近，同理論計算的結果吻合較好，而且增益相差不大，這說明等離子體天線電子密度較大且信號頻率較低的情況下，天線的增益可以與金屬天線相媲美。實驗證明，其增益在50～260MHz頻率范圍內可以與相同構造的金屬天線相比。但在頻率超過290MHz后該等離子體天線無法與金屬天線相提并論。原因在于當信號頻率增大時，等離子體的似金屬性越來越差，越來越趨向于有損耗的介質，電磁波在傳播過程中不斷被衰減。因此，需要對等離子體的電子密度做進一步的調節(jié)以滿足天線的增益要求。

圖5 等離子體天線和金屬天線的方向圖

4.結 論

通過研究柱形等離子體天線的阻抗特性和輻射特性，發(fā)現(xiàn)等離子體天線在很寬的頻帶范圍內，具有良好的組抗特性和增益特性。同金屬天線相比，等離子體天線不但具有隱身特性，還具有較好的寬頻帶阻抗特性，這將使得等離子體天線在軍事應用中大大站穩(wěn)腳跟。盡管入射電磁波的功率非常小，但也增加了等離子體天線的電子密度，使得天線的增益有所增強。在信號頻率遠遠低于等離子體頻率的情況下，等離子體天線的增益幾乎可與金屬天線相媲美。

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