倪雨薇　周玉林　郭曉亮　田坤猛　常勇猛　趙建森

【摘 要】等離子體天線開啟時間測量是當今研究的難點之一，實驗將發(fā)射光譜信號引入到輝光放電等離子體天線開啟時間測量當中，利用原位光譜探測技術將等離子體所發(fā)出的光信號轉化為具有相同時間特性的電信號，并將該電信號建立的初始時刻與等離子體天線激勵電信號產生的初始時刻進行比較，根據(jù)等離子體光信號與激勵電壓信號的時間差測出輝光等離子體天線的開啟時間，該方法稱為“光-電時差法”，可避免探針測量等離子體天線開啟時對等離子體和通信信號產生的交互干擾，提高了測量精度。

【關鍵詞】等離子體；天線；開啟時間；光電時差

【Abstract】A method estimating the switch-on time of glow plasma antennas is introduced.Two channels are established，one is used for gathering optical signals of plasma，the other for exciting signals of power supply.The optical signals are converted into electrical signals of same time characteristics by technology of the In-situ spectroscopic detection.The switch-on time is obtained by calculating the time difference of the exciting and electrical signals.

【Key words】Plasma；Antenna；Switch-on time；Light-electricity time difference

0 引言

隨著科技的進步，現(xiàn)代化軍事戰(zhàn)爭對武器裝備的要求越來越高，若想滿足武器裝備強大的生命力，就必須有先進的隱身技術作為支持。但傳統(tǒng)金屬天線由于存在較大的雷達散射截面（RCS）而難以實現(xiàn)隱身。近幾十年，研究者們提出利用等離子體代替金屬制作天線進行信號的發(fā)射與接收這一想法引起越來越多的關注。等離子體是由大量相互作用的電子、離子、中性粒子和自由基等組成的且在宏觀上表現(xiàn)為近似電中性的非凝聚系統(tǒng)。隨著等離子體科學技術的不斷進步，等離子體在冶金、切割和表面改性等領域的應用越來越廣泛。

由氣體放電產生的等離子體應用也逐漸深入到軍事通信領域。等離子體天線是依據(jù)等離子體的導電特性用氣體放電產生的等離子體代替金屬進行電磁波發(fā)射和接收的一種射頻天線[1]，該天線具有許多獨特性質。當不需要天線工作時，關閉等離子體天線的激勵源，原等離子體天線就會變成絕緣腔體，雷達探測信號可以直接穿過絕緣腔體而不被反射，因此RCS大大降低，根據(jù)這一原理可以實現(xiàn)隱身。同時等離子體天線還具有可重構能力強、天線陣列設計簡單等優(yōu)點[1]。

由于等離子體天線潛在的應用價值，國內外研究者展開了較為深入的研究。Kumar[2-3]等人研究了可重構等離子體天線，指出通過改變放電狀態(tài)可以動態(tài)調節(jié)等離子體天線內部形狀為柱形、螺旋形及柱形陣列等；Russo[4-5]等人研究了利用波導激勵產生等離子體作為等離子體天線并研究其特性；Belyaev[6]等人研究了等離子體振子的非線性效應；張芝濤[7]等人研究了等離子體天線與入射電磁波之間的相互作用；端木剛、徐躍民[8]等利用FDTD法計算研究了柱形等離子體天線的特性；時家明、黃方意[9]等理論結合實驗研究了基于等離子體的定向天線陣；李學識、胡斌杰[10]等利用FDTD方法分析了等離子體參量均勻和非均勻分布的磁化等離子體天線。

本文依據(jù)等離子體受激發(fā)光的技術原理，利用原位光譜探測技術將放電等離子體發(fā)射的光信號轉換為具有相同時間特征的電信號，并將該電信號建立的初始時刻與等離子體天線激勵電源電壓信號的施加時刻比較，進而利用光信號與激勵電壓信號的時間差獲得開啟時間，稱為“光-電時差法”。

1 測量原理與系統(tǒng)

1.1 測量原理

在輝光等離子體天線系統(tǒng)中，當開啟激勵源時，原子受激發(fā)產生電子，等離子體的激發(fā)物種躍遷到低能態(tài)時會輻射出光，據(jù)此可以獲得發(fā)射光譜。當然，氣體原子電離的方式有很多種，原子受激發(fā)和電離的過程可以由以下表達式表示：

1.2 測量系統(tǒng)

根據(jù)輝光放電等離子體天線開啟時間測量原理，天線開啟時間測量裝置原理示意圖如圖1所示。選取直流、工頻交流、kHz級交流和MHz及交流源作為等離子體天線激勵源。由于各激勵源激勵方式不同，圖1（a）所示的在直流和低頻交流激勵源激勵條件下等離子體天線開啟時間測量原理示意圖，放電管兩端激勵采用直連式，高壓端連接示波器端口1，中間接入高壓分壓器以保護示波器端口1免受損壞，該通道稱為“激勵電信號采集通道”。示波器端口2與光電倍增管相連接，光電倍增管用于將等離子體發(fā)射光信號轉換為電信號，傳入示波器進行分析，為調節(jié)光-電信號強度，示波器與光電倍增管之間連接調壓器，該通道稱為“光-電信號采集通道”。圖1（b）所示利用高頻激勵源激勵等離子體天線開啟時間測量示意圖，其與（a）大致相同，主要區(qū)別在于激勵模式，高頻等離子體天線這里采用電感耦合模式進行激勵。接激勵源的線圈端連接示波器端口1，示波器與電感線圈之間連接帶阻濾波器，在10-50MHz頻段內衰減約-60dB，用以保護示波器端口1，示波器端口2的連接方式與圖1（a）一樣。為減小測量誤差，光電信號采集通道與激勵電信號采集通道長度相同。

2 結果與分析

2.1 直流與低頻交流等離子體天線測試結果

根據(jù)等離子體天線激勵模式的不同，直流與低頻交流激勵模式均采用直連式激勵方法，而高頻MHz量級交流激勵下的等離子體天線采用電感耦合激勵模式。根據(jù)圖1（a）的實驗裝置所示，示波器的兩個通道分別接入光電倍增管和高壓電源激勵端。圖3所示的是利用光電時差法測量10kHz交流激勵的輝光等離子體天線開啟時間，圖中第一行的波形表示的是利用示波器接收到由光電倍增管采集到的光電信號，下面一行的波形表示的是由示波器采集到的激勵電源的電信號。天線放電管長度為80cm，填充氣體為Ne，放電功率為3W，光電倍增管光纖探頭距離放電管1cm，從激勵電源起始時刻到穩(wěn)定光-電信號產生時刻之間的時間差約為1ms，即等離子體天線的開啟時間為1ms，如圖2所示。對等離子體天線開啟時間測量結果中涵蓋了放電信號的產生時間，等離子體激勵電源響應延遲等影響等離子體天線開啟時間關鍵因素。

圖3所示的是利用光-電時差法測量50Hz交流輝光等離子體天線開啟時間結果，放電管仍與圖2相同，交流放電功率為1W。激勵信號產生到等離子體光信號產生時刻的時間間隔約為0.7ms，到較為穩(wěn)定的光信號時間間隔約為2ms。

2.2 高頻交流等離子體天線測試結果

與直流和低頻交流激勵方式不同，高頻交流等離子體天線的激勵方式通常采用單端口激勵。根據(jù)圖1（b）的測量裝置，高頻交流激勵源采用的是13.56，27.12和40.68MHz交流源，采用線圈裹附在放電管周圍，線圈一端接激勵源功率輸出端，另一端接地。示波器端口1連接電感線圈非接地端，中間連接帶通濾波器以保護示波器不受高功率損壞，示波器端口2連接光電倍增管。圖4所示的是在40.68MHz交流激勵條件下，利用光-電時差法測量輝光放電等離子體天線開啟時間。等離子體天線放電管與測量直流、低頻交流等離子天線所用的放電管尺寸相同，管內充稀有氣體Ne，氣壓為20Pa，放電功率為3W。與直流和50Hz交流激勵的輝光等離子體天線測量結果不同，40.68MHz交流激勵下的光電信號較為穩(wěn)定，利用光-電時差測量高頻交流等離子體天線的開啟時間約為300ns。

2.3 影響因素

等離子體天線開啟時間測試結果受許多因素影響，如等離子體激勵電源響應時間、激勵電壓信號產生到等離子體產生之間的時間延遲和從等離子體產生到等離子體狀態(tài)相對穩(wěn)定的時間延遲等等。其中等離子體激勵電源響應時間受等離子體激勵源本身狀態(tài)影響。

圖5所示的是不同功率下，利用光-電時差測量10kHz低頻交流等離子體天線開啟時間結果。放電管長1m，外徑12mm，內徑10 mm，充入氣體為Ar和汞的混合物，氣壓為300Pa，放電功率可調范圍為1-10 W，測量次數(shù)為8次，測量結果的均方根誤差可以用下式表示：

其中隨放電功率從0.8W增加到2W，等離子體天線開啟時間測量值急劇縮短，當放電功率低于2W時，測量誤差非常大，數(shù)據(jù)重復率很低。隨放電功率進一步增加，天線開啟時間下降范圍越來越小，放電功率超過6W時，放電功率的增加對開啟時間的測量結果影響不大，而且測量結果數(shù)據(jù)的可重復性越來越高，誤差越來越小。

3 結論

利用光-電時差法測量輝光放電等離子體天線開啟時間，該方法結合了示波器觸發(fā)和中性粒子受激發(fā)光原理，避免了探針或場強儀測量對等離子體內部參量造成的干擾。從激勵電源出現(xiàn)至穩(wěn)定等離子體光信號出現(xiàn)的時間差為微秒至毫秒量級，即天線的開啟時間。該時間受激勵功率影響很大，當激勵功率在一定范圍內增加時，開啟時間急劇縮短，隨放電功率繼續(xù)增大，開啟時間縮短速度減慢，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。且隨放電功率增加，開啟時間測量結果的重復性大大增加，測量誤差降低。該方法有利于測量產生高電子密度的輝光等離子體天線開啟時間，為等離子體天線的發(fā)展提供一種新的評價參量。

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[責任編輯：田吉捷]