孫 簡 謝義方 霍文青 徐躍民 孫海龍

(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190)

引 言

等離子體天線利用電離氣體的導(dǎo)電性輻射電磁波，同普通金屬天線相比具有低雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section，RCS)、自重構(gòu)、超寬帶等優(yōu)勢，在國內(nèi)外已開展了多年的研究[1-2].由于技術(shù)方面的困難，等離子體天線的一些關(guān)鍵性能參數(shù)，特別是增益指標(biāo)通常很難達(dá)到常規(guī)金屬天線的水平，而且往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，龐大而笨重.因此，至今未見等離子體天線實用化的公開報導(dǎo).

中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心相關(guān)課題組2004年開始等離子體天線項目，先后研制出多臺原理樣機(jī)，在該領(lǐng)域一直處于國內(nèi)領(lǐng)先水平[3-9].從2010年開始，利用大型微波暗室等設(shè)備對天線增益問題進(jìn)行了深入的研究并取得了突破性的進(jìn)展.在2011年組織的項目驗收測試中，參測的等離子體天線樣機(jī)在400 MHz以下頻段的增益達(dá)到與金屬天線近似相等的水平[10]，具備了將等離子體天線實用化的基本條件.

然而，該樣機(jī)還存在體積質(zhì)量重、功耗高以及噪聲干擾嚴(yán)重等問題.針對等離子體天線實用化的要求，課題組對等離子體天線的各組成部分進(jìn)行了重新設(shè)計.通過減小設(shè)備體積、質(zhì)量和功耗，達(dá)到在移動載具上安裝的要求.為了驗證改進(jìn)后樣機(jī)的性能，采用外場設(shè)備進(jìn)行天線測試，在400 MHz頻段達(dá)到了與金屬天線接近的增益水平.

1 等離子體天線的實用化改進(jìn)

1.1 物理與技術(shù)背景

等離子體天線的工作原理與電離層對電磁波的作用相似，由于電離層等離子體密度一定，只能反射低于自身等離子體頻率的電磁波，而對30 MHz以上的電磁波透明.同樣，等離子體天線通過提高介質(zhì)腔體內(nèi)的惰性氣體電離密度，可以將等離子體反射的臨界頻率提高到400 MHz以上.就是說，即使等離子體天線在低于400 MHz 的通信波段正常工作，也不會像常規(guī)金屬天線一樣同L波段以上的電磁波作用，RCS很低.

在現(xiàn)代通信中，廣泛采用跳頻通信手段來降低信號被截獲的概率，這就對頻率的跳變速度提出了很高的要求.對于通信中常規(guī)的金屬諧振天線，由于本身頻帶窄，而且機(jī)械調(diào)諧的速度慢，因此難以用單根天線滿足大范圍跳頻的要求.由于等離子體天線具有自重構(gòu)功能，天線尺寸可以通過改變等離子體腔體的激勵電壓來動態(tài)調(diào)整，使天線的諧振頻率快速跳變到所需的頻點.只要等離子腔體足夠長，只需同一根天線就可以在多個頻點頻繁快速切換而不會改變天線的阻抗和增益，獲得很寬的跳頻帶寬.

將等離子體天線的低RCS特性與寬頻帶低截獲概率通信手段相結(jié)合，可以使天線的低可探測性能達(dá)到一個新的高度.

1.2 相關(guān)實驗研究

一直以來，等離子體天線無法實用化的主要瓶頸是天線增益低.目前，中科院空間中心已掌握等離子體天線增益技術(shù)，樣機(jī)性能達(dá)到接近實用化的程度.實用化改進(jìn)中，主要的問題是等離子體天線的結(jié)構(gòu)比常規(guī)金屬天線復(fù)雜，特別是激發(fā)等離子體天線需要為天線腔體提供大功率的射頻激勵源，因此等離子體天線的體積、質(zhì)量比較大，而且對于電源功耗有較高的要求，比較難以安裝在各種移動載具上.如圖1所示.

圖1中，等離子體天線由天線本體、等離子體激勵源以及供電源三部分組成，其中激勵源體積最龐大而且沉重.因此，等離子體天線實用化的關(guān)鍵在于等離子體激勵源的小型化.圖中激勵源的作用是將封閉在天線腔體內(nèi)的惰性氣體電離、產(chǎn)生等離子體，采用了150 MHz、100 W量級的射頻功率.由于激勵源的功耗很高，實際輸入功率超過300 W，用市電插座供電.

圖1 等離子體天線基本結(jié)構(gòu)

天線的激勵功耗也影響噪聲水平.在測試中，等離子體天線的噪聲非常高，往往將接收信號淹沒.通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，解決噪聲問題主要取決于兩個方面，一是提高等離子體激勵源的頻譜純度，二是盡量降低激勵功率.但是，為了產(chǎn)生足夠密度的等離子體，激勵功率必須維持在一定的水平.為此，我們通過實驗確定等離子體天線激勵功率與天線效率的關(guān)系.通過采用不同功率激勵等離子體天線，并用頻譜分析儀接收天線信號，以此來分析天線激勵效率與激勵功率的關(guān)系.實驗數(shù)據(jù)在圖2中列出.

圖2 激勵功率與激勵效率的關(guān)系

根據(jù)圖2，激勵功率越高，天線效率越高，而當(dāng)激勵功率達(dá)到一個臨界值(圖2中為50 W)以后，天線效率達(dá)到最大，即使繼續(xù)加大激勵功率，天線效率也不會再提高.因此，等離子體天線的激勵功率應(yīng)當(dāng)選擇在臨界功率，可以用最低的功耗達(dá)到最佳激勵效果，同時低功耗下激勵源引入的噪聲也最小.實驗證明，通過對等離子體天線的激勵腔體和耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并適當(dāng)縮小體積以后，目前有效激發(fā)等離子體天線所需的臨界功率可以降低到30 W左右.

1.3 實用化改進(jìn)措施

在等離子體天線樣機(jī)的增益等性能達(dá)到良好的指標(biāo)后，實用化改進(jìn)的重點是縮小各組成部分的體積、質(zhì)量和功耗.

等離子體天線的本體由惰性氣體腔體、射頻激勵腔體以及阻抗匹配裝置組成.惰性氣體腔體為空心結(jié)構(gòu)，直徑和體積均大于普通金屬天線.為了縮小體積，我們重新研制了較細(xì)的介質(zhì)惰性氣體腔體，直徑由原來的3 cm左右減小到2 cm左右，有效降低了天線在移動載具安裝時的風(fēng)阻.射頻激勵腔體用于固定和激勵介質(zhì)腔體，通過改進(jìn)使得這部分黃銅腔體的直徑更小，高度減小到20 cm以下，體積和質(zhì)量僅為原來的1/3左右，更容易嵌入安裝到移動載具上，見圖3.

圖3 新天線(右)與舊天線(左)對比

由圖1可知，激發(fā)等離子體天線需要較大的輸入功率，相應(yīng)的射頻激勵源甚至比天線本身更為龐大笨重.對于實用化的等離子天線來說，縮小這部分的體積和重量非常重要.通過對等離子體天線各腔體內(nèi)耦合與匹配部件的改進(jìn)，可以提高等離子體的激勵效率，使得激勵等離子體天線達(dá)到最大增益時所需要的最小輸入功率由原來的接近60 W降低到30 W左右.相應(yīng)地，射頻激勵源也可以采用小型化的功率放大器和散熱結(jié)構(gòu).經(jīng)過全新的設(shè)計，新型激勵源的體積和質(zhì)量大為縮小，圖4所示.圖4左側(cè)原有激勵源的體積超過50 cm×50 cm×25 cm，質(zhì)量約30 kg.經(jīng)過改進(jìn)后體積縮小到大約20 cm×20 cm×10 cm，不到原來的1/10，質(zhì)量小于5 kg.

圖4 新激勵源(右)與舊激勵源(左)對比

由于激勵功耗降低，可以采用比較小巧的便攜式鎳氫蓄電池組，目前可以為等離子體天線在正常工作狀態(tài)下提供1 h左右的持續(xù)供電.圖5為完整的小型化等離子體天線樣機(jī)，圖中從左至右依次為便攜式鎳氫蓄電池組、射頻激勵源和天線本體.

圖5 實用型等離子體天線系統(tǒng)樣機(jī)

2 新型樣機(jī)的外場測試

2.1 實驗方法

等離子天線的主要技術(shù)難點在于實現(xiàn)與金屬天線相似的增益性能.由于新型樣機(jī)為了縮小體積和質(zhì)量，對原有樣機(jī)的參數(shù)做了多項調(diào)整，降低了激勵功率，這些都有可能影響增益，需要通過測試確認(rèn)以上改動對天線性能的影響.在外場實驗中，主要采用“比較增益法”來測試天線的增益.

首先，使用兩個中心頻率400 MHz、增益為3 dB的普通金屬天線作為發(fā)射天線與接收天線，分別放置在相距50 m的測試臺上，距離地面高度6 m，如圖6所示.

圖6 天線外場測試裝置

圖6中，接收端金屬天線用吸盤固定在升降式發(fā)射架頂端的長方形鐵板上，并升高到與發(fā)射端相同的高度，用同軸電纜與地面的頻譜分析儀連接.發(fā)射端天線由吸盤固定在長條形鐵板上，再用螺栓固定在圓形金屬測試臺上.發(fā)射天線連接信號發(fā)生器，以400 MHz為中心頻率，發(fā)射25 dBm的微波信號，掃頻范圍從380 MHz到420 MHz，接收端每隔1 MHz記錄一次讀數(shù).

然后，將發(fā)射臺上的金屬天線取下，換上等離子體天線，如圖7所示.

圖7 等離子體天線的測試安裝

圖7中，等離子體天線及其匹配裝置通過鋁板固定在試驗臺上，并用鎳氫電池為激勵源供電.當(dāng)?shù)入x子體激發(fā)形成天線以后，同樣以1 MHz為間隔發(fā)射380 MHz到420 MHz的25 dBm信號，記錄接收端頻譜儀讀數(shù)，通過比較兩次測試得到的頻譜分析儀讀數(shù)來計算等離子天線增益.

2.2 實驗結(jié)果

金屬天線和等離子體天線從380 MHz到420 MHz的增益比較結(jié)果如圖8所示.

圖8 金屬天線與等離子體天線的增益對比

等離子體天線樣機(jī)優(yōu)化在400 MHz工作，金屬天線和等離子體天線均在400 MHz附近達(dá)到最大增益，表1給出具體測試數(shù)據(jù)并通過比較確定天線增益.

根據(jù)表1所示，在400 MHz工作頻率附近，等離子體天線的接收信號功率與金屬天線最接近，增益最小差距為2.1 dB.由于所采用的金屬天線增益在400 MHz頻率的增益為3 dB，因此在400 MHz頻率下等離子體天線的最大增益接近1 dB.

表1 400 MHz頻段的等離子體天線增益

3 新型樣機(jī)的噪聲測試

除了減小體積、質(zhì)量和功耗，新型等離子體天線樣機(jī)在性能上的最大改進(jìn)在于噪聲頻譜有了極大的改善.由于等離子體天線需要通過射頻功率激發(fā)產(chǎn)生足夠的等離子體密度，該激勵功率與天線的發(fā)射/接收信號都在同一個諧振器里耦合，因此很容易產(chǎn)生各階交叉調(diào)制，造成嚴(yán)重的雜波干擾，使接收信號時的信噪比惡化.

圖9所示，是原有激勵源在工作頻率正負(fù)70 MHz帶寬內(nèi)的頻譜分布圖，可見該激勵源有非常豐富的相噪與雜波成分，在通信測試中幾乎完全阻塞了接收信道，嚴(yán)重影響了天線的接收能力和有效通信距離.新激勵源的改進(jìn)重點在于提高相噪性能，抑制高次諧波.改進(jìn)后的激勵源頻譜純度大大提高，消除了激勵功率對信號功率的干擾.

圖9 舊激勵源的噪聲頻譜

為了研究新型等離子體天線在同時耦合激勵功率和信號功率情況下的噪聲干擾，用頻譜分析儀做了噪聲測試.在測試中，激勵功率采用35 W、頻率150 MHz的射頻激勵源，而發(fā)射信號采用0.5 W的400 MHz點頻源.將這兩路信號同時耦合進(jìn)等離子體天線以后，用頻譜分析儀來接收等離子體天線的發(fā)射頻譜，測試中設(shè)置頻譜儀接收帶寬為300～500 MHz，如圖10所示.

圖10 等離子體天線的發(fā)射頻譜

在圖10中，除了400 MHz的信號成分外，還出現(xiàn)了150 MHz激勵信號的三次諧波成分，以及發(fā)射信號與激勵信號在激勵腔體中混頻產(chǎn)生的350 MHz高階交調(diào)成分. 而在350～450 MHz以內(nèi)，400 MHz接收信號附近則沒有出現(xiàn)由于激勵源功率造成的干擾成分，頻譜純凈.

4 討 論

在新型樣機(jī)測試中，等離子體天線在400 MHz頻段達(dá)到的最大增益接近1 dB，而原有樣機(jī)的最大增益可以達(dá)到2 dB以上.這主要是由于為降低天線風(fēng)阻而縮小了天線直徑，使得等離子體柱體的表面波激勵條件變差.此外，由于縮小了阻抗匹配裝置的體積，天線駐波比也從原來的1.5以下升高到2.0左右，也會影響增益指標(biāo).

新型樣機(jī)主要的性能改進(jìn)在于對天線噪聲的有效控制.圖10中，在400 MHz接收信號附近差不多100 MHz帶寬內(nèi)基本上沒有因為激勵功率引入的雜波干擾.但是，由于新樣機(jī)在體積上做了很大的縮減，而相應(yīng)的濾波結(jié)構(gòu)還不夠完善，造成頻譜中仍有激勵源的高次諧波成分.

在工程化研制方面，今后還可以采用更加先進(jìn)的材料和工藝，進(jìn)一步降低等離子體天線組件的體積、質(zhì)量和功耗.例如，等離子體介質(zhì)腔體可以采用更加輕便結(jié)實的復(fù)合材料來取代目前形狀簡單而且易碎的玻璃材料，黃銅激勵腔體也可以設(shè)計得更加輕薄，而目前使用的鎳氫蓄電池組也可以用更加輕便的鋰電池組來代替.

5 結(jié) 論

等離子體天線在理論上具有低RCS、快速自重構(gòu)、超寬帶等性能優(yōu)勢.但是，由于等離子體天線的結(jié)構(gòu)比常規(guī)金屬天線復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、功耗和噪聲都比較大，而且原理樣機(jī)的體積、質(zhì)量大，性能不穩(wěn)定，存在增益和噪聲等技術(shù)瓶頸.因此，多年來等離子體天線的研究工作一直停留在實驗樣機(jī)階段，無法進(jìn)行各種實用性開發(fā).

本項研究是在中科院空間中心等離子體天線增益、噪聲等指標(biāo)取得突破的基礎(chǔ)上，首次根據(jù)實用化的需求研制輕量化的原理樣機(jī).通過對原有樣機(jī)各組成部分的優(yōu)化改進(jìn)，在天線增益基本滿足要求的前提下，不但使天線樣機(jī)的體積、質(zhì)量和功耗大大減小，而且有效解決了天線自身存在的等離子體激勵噪聲干擾問題.

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