趙建森 張芝濤， 王 健 徐曉文 俞 哲

（1.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.大連海事大學(xué)物理系，遼寧 大連 116026）

引 言

等離子體天線是利用等離子體來(lái)代替金屬作為天線元的射頻天線［1-2］。對(duì)于高密度等離子體，電磁波的趨夫深度很小，等離子體的導(dǎo)電性能與金屬天線類似，電磁波將會(huì)沿著柱形等離子體傳播，可作為天線進(jìn)行電磁波信號(hào)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(dú)有的特性［2-5］，如隱身特性，當(dāng)不需要進(jìn)行通信時(shí)，雷達(dá)散射截面（RCS）接近于0，可以滿足天線隱身的需求。再者通過(guò)改變等離子體天線內(nèi)部的參數(shù)，可以動(dòng)態(tài)改變天線的輻射方向圖、增益、帶寬等特性，實(shí)現(xiàn)天線的動(dòng)態(tài)重構(gòu)［4-5］。

正是由于等離子體天線相對(duì)于傳統(tǒng)天線擁有其不可比擬的優(yōu)勢(shì)，國(guó)際上許多科研機(jī)構(gòu)都已對(duì)等離子體天線展開(kāi)了如火如荼的研究。在國(guó)外如美國(guó)、澳大利亞、法國(guó)等已有實(shí)用裝置應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)試驗(yàn)，并申請(qǐng)了大量的專利［2-3，6-9］。國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)也做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)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(duì)等離子體天線在較窄頻帶內(nèi)天線性能的測(cè)試，等離子體天線阻抗、方向圖、增益的理論計(jì)算以及電磁波和等離子體相互作用研究等。但對(duì)天線帶寬特性的報(bào)道很少。本文設(shè)計(jì)了等離子體天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在較寬的頻帶范圍內(nèi)對(duì)柱形等離子體天線阻抗帶寬特性和輻射特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出的結(jié)果為寬頻帶柱形等離子體天線的構(gòu)建提供參考。

1.基本原理

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

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

從式（3）可以看出，當(dāng)信號(hào)頻率大于等離子體頻率時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)0＜εr＜1，則電磁波可以穿過(guò)等離子體。當(dāng)信號(hào)頻率小于等離子體頻率時(shí)，相對(duì)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(zhì)管內(nèi)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(shí)，等離子體可以作為天線進(jìn)行電磁波的傳播。當(dāng)信號(hào)在等離子體中以表面波的形式傳播時(shí)，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(guò)理論證明可得到:當(dāng)ω／ωpe非常小時(shí)，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(shí)等離子體的性質(zhì)如同金屬。通過(guò)調(diào)整等離子體參數(shù)使得在電子密度足夠大時(shí)，可將等離子體作為天線進(jìn)行通信。

2.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為柱形等離子體天線測(cè)量系統(tǒng)，天線主體為充有氬氣的石英管，長(zhǎng)度為1m，直徑為12mm.經(jīng)具有較高精度的麥?zhǔn)险婵沼?jì)測(cè)量，氣壓為550 Pa.信號(hào)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(hào)發(fā)生器之間用特性阻抗50Ω的同軸線相連，目的是與信號(hào)發(fā)生器的射頻端口匹配。天線與信號(hào)源之間接有阻抗匹配電路，以確保在50～450MHz信號(hào)頻率范圍內(nèi)的駐波比小于1.5.采用了傳統(tǒng)的比較法對(duì)天線增益進(jìn)行測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)分析儀（E5071C，Agilent，9kHz～4.5GHz）.等離子體天線和網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的方法對(duì)方向圖進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量完數(shù)據(jù)之后，將等離子體天線與發(fā)射天線對(duì)調(diào)，即將信號(hào)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(duì)兩種情況下等離子體天線的相對(duì)增益進(jìn)行了比較，得出結(jié)論。

圖1 等離子體天線接收特性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 柱形等離子體天線的阻抗特性

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，對(duì)等離子體天線阻抗Z=R+j X進(jìn)行了測(cè)量。從圖2可以看出:等離子體天線工作時(shí)當(dāng)頻率在170～270MHz內(nèi)，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(wǎng)絡(luò)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(shuō)明能夠在該頻段內(nèi)容易實(shí)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(shí)驗(yàn)頻率范圍與阻抗特性測(cè)量的頻率范圍相同。當(dāng)未開(kāi)啟等離子體天線時(shí)，駐波比在該頻段非常大，在較低頻段時(shí)甚至超過(guò)了40.當(dāng)?shù)入x子體天線工作時(shí)，情況明顯不同。駐波比大幅度減小，在167～280MHz頻率范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)和尺寸的金屬天線相比，兩款天線均沒(méi)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(nèi)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(shuō)明，等離子體天線不僅在隱身方面具有金屬天線無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)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(shí)的相對(duì)增益

等離子體天線作為發(fā)射和接收天線的相對(duì)增益測(cè)試結(jié)果如圖4所示。等離子體天線連接信號(hào)發(fā)生器時(shí)頻譜分析儀接收信號(hào)的功率略大于連接頻譜儀時(shí)頻譜儀接收信號(hào)的功率，兩者功率的差值大小不一，最大的相差2dB.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)不同時(shí)間、不同實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為何會(huì)出現(xiàn)這一情況呢？主要原因在于:電磁波信號(hào)對(duì)電子溫度電子密度產(chǎn)生影響實(shí)際上是高頻電磁場(chǎng)對(duì)等離子體中的電子和離子產(chǎn)生了作用力［14］，使帶電粒子在電磁場(chǎng)中不斷獲得加速度。在電磁場(chǎng)的作用下，等離子體中帶電粒子在高頻電場(chǎng)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(guò)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(jìn)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(dǎo)電性，這使得等離子體天線在連接信號(hào)發(fā)生器時(shí)的增益略高于連接頻譜儀的增益。設(shè)想，如果信號(hào)源的功率繼續(xù)增大，有可能關(guān)閉天線激勵(lì)源而只通過(guò)信號(hào)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(xiàng)工作正在研究中。表1為柱形等離子體天線與相同結(jié)構(gòu)和尺寸的柱形金屬天線的相對(duì)增益，金屬天線配有匹配電路，使駐波比在寬帶范圍內(nèi)低于1.5.實(shí)驗(yàn)中的參考天線為在144～430MHz增益為3.7～4.4dBi的標(biāo)準(zhǔn)增益天線，通過(guò)比較法對(duì)兩款天線的增益進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)頻率范圍在160～200MHz之間?？梢钥闯鲈谠擃l段內(nèi)，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(nèi)，等離子體天線增益略高于金屬天線。本實(shí)驗(yàn)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(jì)算公式［14］為

利用式（5）計(jì)算等離子體的頻率f約為1.18 GHz，遠(yuǎn)大于試驗(yàn)信號(hào)的頻率，可以作為天線進(jìn)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(lái)越差。因此，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電磁波頻率大于290MHz時(shí)，等離子體天線的增益較金屬天線越來(lái)越差，需要調(diào)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(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方法，測(cè)試場(chǎng)地設(shè)置在空曠的野外，進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖的測(cè)量。由于是測(cè)量柱形等離子體天線的方向圖，在H面天線的各個(gè)方向所接收的功率相差不大，為全向性天線。因此，只測(cè)量了天線的E面方向圖。圖5表示的是試驗(yàn)頻率在200MHz時(shí)，等離子體天線和具有相同結(jié)構(gòu)和尺寸的金屬天線E面歸一化方向圖的理論值和實(shí)驗(yàn)值?？梢钥闯?，兩款天線的方向圖測(cè)量值非常接近，同理論計(jì)算的結(jié)果吻合較好，而且增益相差不大，這說(shuō)明等離子體天線電子密度較大且信號(hào)頻率較低的情況下，天線的增益可以與金屬天線相媲美。實(shí)驗(yàn)證明，其增益在50～260MHz頻率范圍內(nèi)可以與相同構(gòu)造的金屬天線相比。但在頻率超過(guò)290MHz后該等離子體天線無(wú)法與金屬天線相提并論。原因在于當(dāng)信號(hào)頻率增大時(shí)，等離子體的似金屬性越來(lái)越差，越來(lái)越趨向于有損耗的介質(zhì)，電磁波在傳播過(guò)程中不斷被衰減。因此，需要對(duì)等離子體的電子密度做進(jìn)一步的調(diào)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(jié) 論

通過(guò)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(nèi)，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(yīng)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(qiáng)。在信號(hào)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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。

［1］李 圣.表面波等離子體天線物理特性的理論分析［J］.南華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，21（2）:37-40.LI Sheng.Theoretical analysis of characteristics of plasma antennas droven by surface wave［J］.Journal of University of South China:Science and Technology，2007，21（2）:37-40.（in Chinese）

［2］RAYNER J P，WHICHELLO A P，CHEETHAM A D.Physical characteristics of plasma antennas［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，2004，32（1）:269-281.

［3］于 爽，曹立輝，陳金來(lái).等離子體天線研究概況及發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2009，37（3）:37-39.YU Shuang，CAO Lihui，CHEN Jinlai.The research and development of plasma antenna［J］.Internal Combustion Engine and Powerplant，2009，37（3）:37-39.（in Chinese）

［4］梁志偉，王之江，趙國(guó)偉，等.等離子體天線的噪聲測(cè)量及分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22（6）:971-975.LIANG Zhiwei，WANG Zhijiang，ZHAO Guowei，et al.Noise measurement and analysis of plasma antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（6）:971-975.（in Chinese）

［5］梁志偉，趙國(guó)偉，徐 杰，等.柱形等離子體天線輻射特性的矩量法分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（4）:749-753.LIANG Zhiwei，ZHAO Guowei，XU Jie，et al.Analysis of plasma-column antenna using moment method［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（4）:749-753.（in Chinese）

［6］KUMAR R，BORA D.A reconfigurable plasma an-tenna［J］.Journal of Applied Physics，2010，107（5）:053303-053312.

［7］BORG G G，HARRIS J H，MARTIN N M，et al.Application of plasma columns to radiofrequency antennas［J］.Applied Physics Letters，1999，74（22）:3272-3274.

［8］BORG G G，HARRIS J H，MARTIN N M，et al.Plasma as antennas:theory，experiment and applications［J］.Physics of Plasma，2000，7（5）:2198-2202.

［9］MITRA A K.Pulsed Plasma Antenna:United States，US 7068226［P／OL］.2006-07-27［2011-06-08］.http:／／www.freepatentsonline.com／7068226.html.

［10］趙國(guó)偉，徐躍民.等離子體隱身中天線參數(shù)的數(shù)值計(jì)算［J］.微波學(xué)報(bào)，2008，24（3）:17-20.ZHAO Guowei，XU Yuemin.Calculation of antenna’s parameter in plasma stealth antenna［J］.Journal of Microwaves，2008，24（3）:17-20.（in Chinese）

［11］石 磊，丁 君，丁 芊，等.等離子體單極天線輻射特性和隱身性能研究［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2009，39（1）:31-34.SHI Lei，DING Jun，DING Qian，et al.Radiation characteristics and stealth properties of unipole plasma antenna［J］.Aeronautical Computing Technique，2009，39（1）:31-34.（in Chinese）

［12］吳振宇，楊銀堂，汪家友.等離子體天線表面電流分布與輻射特性研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2010，59（3）:1890-1894.WU Zhenyu，YANG Yintang，WANG Jiayou.Study on current distribution and radiation characteristics of plasma antennas［J］.Acta Physica Sinica，2010，59（3）:1890-1984.（in Chinese）

［13］孫乃峰，王世慶，慈加祥.潘寧氣體真空等離子體天線的基本特性研究［J］.真空，2011，48（1）:63-67.SUN Naifeng，WANG Shiqing，CI Jiaxiang.Main characteristics of vacuum plasma antennas filled with Penning gas［J］.Vaccum，2011，48（1）:63-67.（in Chinese）

［14］ZHANG Z T，ZHAO J S，XU X W，et al.Experimental study on the interaction of electromagnetic waves and glow plasma［J］.Plasma Science and Technology，2011，13（3）:279-285.

［15］李江挺，郭立新，金莎莎，等.等離子體鞘套中的電磁波傳播特性研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（3）:494-500.LI Jiangting，GUO Lixin，JIN Shasha，et al.EM Wave propagation characteristic in plasma sheath［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（3）:494-500.（in Chinese）