黃方意，林志丹，王 超

（電子工程學院，合肥 230037）

0 引 言

等離子體天線是20世紀90年代中期由美國Tennessee大學物理學家Theodore R.Anderson教授提出的，當時受美國海軍委托研究如何解決潛艇的水下通信問題。近年來，國內(nèi)外對等離子體天線進行了較多的研究［1-8］。

在國外，美國海軍實驗室（NRL）研究了幾種等離子體天線，包括X波段的艦載天線、94GHz的機載天線和60GHz的空基天線，其主要原理是用等離子體平面作為反射面，用磁場和電極控制不同等離子體片的激發(fā)，不同等離子體片組成的平面確定了不同的掃描射束方向［9］。澳大利亞國立大學研制成一種單極表面波驅(qū)動的等離子體隱身天線。該天線的特點是：需要配置1個激勵器，用射頻波激發(fā)等離子體。不足之處在于射頻波會干擾電磁波信號［10］。

1 等離子體天線類型

目前對等離子體天線的研究主要分為3個方向：等離子體介質(zhì)天線、等離子體反射面天線和等離子體智能天線。

1.1 等離子體介質(zhì)天線

等離子體介質(zhì)天線是將等離子體發(fā)生器放電管作為天線元件。通電時，管內(nèi)的惰性氣體電離并成為導體，可以發(fā)射和接收無線電信號。斷電時，成為絕緣體，不會反射電磁波。等離子體介質(zhì)天線為有源輻射器，主要應(yīng)用于短波／超短波通信。圖1為等離子體介質(zhì)天線中的U型天線和鞭狀天線。

圖1 等離子體介質(zhì)天線

1.1.1 等離子體介質(zhì)天線的原理

等離子體之所以能代替金屬導體作為天線元件，是因為其物理特性中的金屬性。假設(shè)其介電常數(shù)為εr（ω）［11］，則：

對徑向均勻分布的等離子體柱，沿其表面?zhèn)鞑ル姶挪ǖ牟ㄊ缚杀硎緸椋?/p>

等離子體天線必須在密度較高并且頻率高于天線工作頻率的條件下，才能傳導和發(fā)射電磁波。因此要求等離子體表面波波矢k的虛部Im（k）較小，即電磁波傳播衰減較?。欢鴮嵅縍e（k）則接近自由空間中波矢k0，這與金屬的電磁波傳播性質(zhì)相似，因此可以代替金屬作為天線傳導媒質(zhì)。

1.1.2 等離子體介質(zhì)天線的優(yōu)點

與傳統(tǒng)金屬天線不同的是等離子體的物理特性隨著電子密度等參數(shù)的變化而改變，因此等離子體介質(zhì)天線具有許多獨特的優(yōu)點［12-16］：

（1）雷達隱身性。由等離子體與電磁波的相互作用可知，對于頻率高于等離子體頻率的雷達波信號，等離子體對波的透射、吸收、折射效應(yīng)使雷達回波信號大大衰減；對于頻率低于等離子體頻率的雷達波，等離子體對其的散射作用也使雷達回波衰減；在天線不工作的情況下，等離子體淬滅，完全對雷達隱身。

（2）可重構(gòu)性。等離子體作為天線傳導介質(zhì)，其物理特性是可以改變的。例如改變等離子體激勵方式和功率、改變等離子體電子密度等，都會使天線的輻射方向圖、輻射效率發(fā)生改變。因此相對于固定的金屬天線，等離子體天線具有極好的可重構(gòu)性。

（3）低互耦性。在多個天線的工作環(huán)境中，等離子體天線在不工作時，只是充有氣體的介質(zhì)管，對周邊正在工作的天線幾乎沒有影響，而金屬天線在不工作時，仍然會干擾到其他天線。

1.2 等離子體反射面天線

利用等離子體的電磁波反射特性，等離子體可用于設(shè)計反射面天線，如同通常意義上利用金屬構(gòu)成的反射面天線。等離子體反射面天線為無源反射器，主要應(yīng)用于大功率超寬帶脈沖雷達。圖2和圖3分別是等離子體反射面天線和金屬反射面天線的實物圖。

1.2.1 等離子體反射面天線的原理

（1）ω＞ωpe：n為小于1的正實數(shù)，電磁波可在等離子體中傳播，并且其相速度大于光速；

圖2 等離子體反射面天線

圖3 金屬反射面天線

（2）ω≤ωpe：n為純虛數(shù)，電磁波無法在等離子體中傳播，會被其反射。因此，定義fc為電磁波的截止頻率，它滿足：

此時的Ne也可以稱為頻率fc電磁波的截止密度，當?shù)入x子體密度大于電磁波的截止密度時就能對電磁波進行全反射。

1.2.2 等離子體反射面天線的優(yōu)點

等離子體反射面天線是一種利用等離子體作為反射介質(zhì)，來實現(xiàn)可替代相控陣雷達系統(tǒng)功能的天線系統(tǒng)。它的優(yōu)點如下［17-20］：

（1）雷達隱身性能。金屬作為反射面時，整個天線系統(tǒng)的雷達橫截面積（RCS）較大，易被雷達發(fā)現(xiàn)。而采用等離子體作為反射面，只要停止氣體放電，整個反射面變成充有氣體的介質(zhì)腔體，使雷達波直接穿過，從而實現(xiàn)天線的隱身功能。停止放電的過程非常短，即納秒級至百微秒級。

（2）快速重構(gòu)特性。傳統(tǒng)的金屬反射面天線的工作方式是機械轉(zhuǎn)動實現(xiàn)空間掃描。由于機械掃描速度的局限性限制了掃描速度，無法適應(yīng)現(xiàn)代通信的發(fā)展要求。而在等離子體反射面天線系統(tǒng)中，等離子體反射面是由眾多的小等離子體片組成，可以通過快速改變放電狀態(tài)來實現(xiàn)天線快速重構(gòu)。眾多等離子體片構(gòu)成眾多的反射面單元，通過陰極放電控制不同等離子體片的激發(fā)和淬滅，被激發(fā)的等離子體片將組成一個整體的反射面。又由于等離子體片激發(fā)過程的時間量少于秒量級，等離子體反射面天線的掃描方向可以快速重構(gòu)。

1.3 等離子體智能天線

在通信系統(tǒng)中，智能天線是指一種具有測向和波束形成能力的天線陣列，利用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準期望用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，從而達到充分利用移動用戶信號，并刪除或抑制干擾信號的目的［21］。

在利用等離子體設(shè)計天線時，為了達到定向和約束波束的作用，可以采用等離子體陣列結(jié)構(gòu)來控制天線電磁波的方向。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 等離子體智能天線結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的中心是一個全向天線，中心天線的四周被很多根等離子體柱所包圍，在等離子體頻率大于天線頻率的條件下，利用等離子體柱中等離子體的激發(fā)和淬滅來控制天線系統(tǒng)的輻射方向，以達到定向和約束波束的作用。圖5所示為智能天線多方向定向輻射時的波瓣圖。

圖5 等離子體智能天線的多波束方向圖

2 結(jié)束語

隨著對等離子體與電磁波之間相互作用的深入研究，等離子體在天線領(lǐng)域的應(yīng)用也將越來越廣泛。等離子體獨特的物理特性將使等離子體天線擁有更加廣闊的前景。雖然等離子體天線使天線系統(tǒng)的隱身性和可重構(gòu)性得到極大提高，但是仍有很多不足需要去探索和解決，比如等離子天線的效率、增益有待提高，在系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面也有待加強。

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