專利名稱：一種增強電磁波在等離子體中穿透性的磁體天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速飛行器導航以及通信用的磁體天線，特別是ー種用于飛行器表面存在等離子鞘套的立體螺旋天線。天線輻射出電磁波在等離子體中的衰減可較大幅度降低，從而克服了飛行器與地面之間由于飛行器表面等離子體鞘套導致的通信中斷問題。
背景技術(shù)：
當飛行器以高超聲速在大氣層中飛行時，飛行器周圍高溫氣體將部分發(fā)生電離，形成等離子體。電磁波通過等離子鞘套傳播過程中，因被等離子體鞘套反射、折射和吸收，能量將大幅度衰減，甚至傳輸完全中斷。目前降低電磁波在等離子體中衰減主要措施有改變氣流形態(tài)，或提高通信頻率、噴射親電子性物質(zhì)、外加強磁場等。每ー種措施都有一定的局限性，如改變氣流形態(tài)即會涉及到飛行器的氣體動力學特性的變動并帶來防熱問題；提高通信頻率會涉及到雨衰和大氣傳輸衰減問題；在天線上噴射親電子性物質(zhì)會增加整個系統(tǒng)的重量和復雜性。而在外加強磁場減緩電磁波在等離子體中衰減研究中，產(chǎn)生強磁場主要有永磁體、電磁線圈和超導磁體三種方式。使用電磁線圈產(chǎn)生磁場，線圈的體積和重量都會很大；而使用超導技術(shù)則需要額外地添加冷卻系統(tǒng)并需要提前激勵超導線圏。常規(guī)磁體天線，如在《磁窗天線增強等離子體鞘套透波特性研究》(宇航學報2011年7月第32卷第7期，作者于哲峰，劉佳琪，任愛民等)一文中提出的ー種微帶圓極化磁體天線。該微帶天線采用正方形貼片切角形式，正方形邊長為54. 4mm,切角為邊長4. 8mm的等腰三角形，貼片材料為銅。微帶介質(zhì)采用相對介電常數(shù)為3的材料,介質(zhì)邊長約為140mm,厚度為1.524mm。接地板形狀為邊長約IlOmm的立方體，材料選用稀土永磁體中的NdFeB(釹鐵硼)，其剩余磁感應(yīng)強度最大可以達到I. 4T左右；天線采用同軸線饋電,饋電點偏離貼片中心10. 7mm ;天線諧振頻率為I. 545GHz，饋電端ロ Sll (-IOdB)帶寬約40MHz，天線增益約7. 5dB,圓極化帶寬很窄，只有IOMHz左右。這是因為微帶天線Q值很高，Sll帶寬較窄，而采用切角方式可以在某頻點上滿足圓極化，但圓極化帶寬不會太寬，并且微帶天線增益一般較小，無法滿足穿透等離子體微波通信系統(tǒng)天線高増益要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對背景技術(shù)存在的缺陷，研究設(shè)計ー種增強電磁波在等離子體中穿透性的磁體天線，達到提高天線的頻帶帶寬和圓極化帶寬(特性)，大幅度降低天線電磁波在等離子體中的衰減幅度，有效提高微波通信系統(tǒng)天線的増益等目的；以克服高速 飛行器與地面通信因飛行器表面等離子體鞘套的存在而導致通信中斷的弊病。本發(fā)明的解決方案是將天線和強永磁鐵設(shè)為一體，既把磁體作為磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生強磁場、又把磁體作為天線接地板，以利用接地板的強磁場增強電磁波在等離子體鞘套中的透波特性；采用柱體(狀)軸向模的螺旋天線代替背景技術(shù)中的正方形貼片切角形式微帶天線，以提高天線頻帶的帶寬、圓極化特性和増益；同時在螺旋天線和接地板磁體之間采用錐體式同軸導線作為饋電導線，通過同軸線的外導體與接地板磁體連接、而通過其內(nèi)導體(軸芯線)與螺旋天線的下端連接，以克服端ロ大產(chǎn)生的反射問題、從而優(yōu)化天線Sll參數(shù)；為了避免天線與等離子體直接接觸，采用一天線罩將螺旋天線罩于接地板上、工作時將螺旋天線與等離子體隔離；本發(fā)明即以此實現(xiàn)其發(fā)明目的。因此本發(fā)明磁體天線包括天線及其接地板，將天線與接地板連成一體的同軸饋電導線，關(guān)鍵在干天線為柱狀(體)式軸向模螺旋天線，將天線與接地板連成一體的同軸導線為錐體式同軸饋電導線柱，在螺旋天線及錐體式同軸饋電導線柱上還設(shè)有一密封式天線罩；錐體式同軸饋電導線柱的下端穿過接地板、外端頭則作為外接同軸電纜的接頭，并通過該饋電導線柱錐環(huán)面上的外導體與接地板緊固連接，錐體式同軸饋電導線柱上端的內(nèi)導體則通過螺旋天線下端將螺旋天線軸芯線正對接地板的中心并垂直于接地板懸空固定，密封式天線罩罩于螺旋天線及錐體式同軸導線柱后、其下ロ部則與接地板密封固定。上述接地板為圓板式接地板，材質(zhì)為釹鐵硼(NdFeB)永磁體。螺旋天線的材質(zhì)為銅、螺旋線直徑(小徑d)0. 5-15mm、螺旋天線直徑(大徑D)30-100mm，螺旋節(jié)距(S)23_70mm，螺旋角Θ為12° -15°、圈數(shù)(η)為4-7圏。所述錐體式同軸導線柱的錐度(錐面傾斜度)為6. 5° -7.5°，錐體式同軸饋電導線柱在接地板上設(shè)置的位置(即饋電點位置)與接地板中心的距離與螺旋天線的半徑相同(即為大徑D/2)。所述同軸導線柱上端的內(nèi)導體(軸芯線)通過螺旋天線下端將螺旋天線軸芯線正對接地板的中心并垂直于接地板懸空固定，螺旋天線下端與接地板之間的(空間)距為26-40mm。所述密封式天線罩為頂端帶密封頭的圓筒形天線罩，材質(zhì)為聚四氟こ烯或聚全氟こ丙烯、下ロ部則與接地板密封固定。本發(fā)明采用柱體(狀)軸向模的螺旋天線代替背景技術(shù)中的正方形貼片切角形式微帶天線，并將天線和強永磁鐵設(shè)為一體，既把磁體作為磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生強磁場，又把磁體作為天線接地板，因此在空氣環(huán)境下對比實驗、在相同條件下本發(fā)明天線頻帶帶寬較背景技術(shù)提高15倍左右、天線主輻射方向圓極化軸比小于4dB頻帶為I. 2-1. 8GHz，也達到了600MHz，而背景技術(shù)中的天軸比小于-4dB帶寬只有IOMHz本發(fā)天線的增益為10. 6dB、而背景技術(shù)的増益只有7. 5dB ;而本發(fā)明在均勻等離子體環(huán)境下進行仿真(運行)實驗，其結(jié)果是當磁場強度B > O. 5T時螺旋天線發(fā)射的信號即能有效的穿透等離子體，當永磁體磁場增加到I. OT時、天線增益增加到9. 6dB，接近天線在空氣中增益10. 6dB,電磁波在等離子體中傳播時的衰減降低了 30dB。因而，本發(fā)明具有磁體天線的頻帶帶寬和圓極化帶寬(特性)得到成十倍以上的提高，且大幅度降低了天線電磁波在等離子體中的衰減幅度、有效提高微波通信系統(tǒng)天線的増益和對等離子體的穿透性等特點；克服高速飛行器與地面通信因飛行器表面等離子體鞘套的存在而導致通信中斷的弊病。


圖I為本發(fā)明磁體天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明磁體天線錐體式同軸饋電導線柱的下端與外接同軸電纜連接關(guān)系放大圖。
圖中1.接地板，2.天線罩，3.螺旋天線，4.錐體式同軸導線柱、4-1.內(nèi)導體、4-2.中間絕緣層、4-3.外導體，5.(外接)同軸導線、5-1.內(nèi)導體、5-2.中間絕緣、5-3.夕卜導體、5-4.外絕緣層。
具體實施例方式以工作中心頻率為I. 5GHz的磁體天線為例接地板I直徑D為200mm、厚度為20mm，采用牌號N52的稀土釹鐵硼永磁體，其電導率為625000西門子/米、最大剩磁強度I. 43-1. 48之間、最大磁能積398-422千焦耳/立方米；天線罩2采用頂端帶密封頭的圓筒形天線罩，其內(nèi)徑Φ80ι πι、高150mm、厚度為2mm,材質(zhì)為微波損耗較小且耐高溫的聚四氟こ烯材料，該天線罩罩于螺旋天線3及錐體式同軸導線柱4后、其下ロ部則與接地板密封固定；螺旋天線3材料為銅條、直徑d為3mm，螺旋直徑D為64mm、節(jié)距S為23mm，螺旋下端距離接地板I高度h為30mm，阻抗140. 7歐姆；錐體式同軸導線柱4長度為43mm、頂部直徑為Φ 12mm，其端ロ阻抗為140歐姆、與螺旋的特征阻抗匹配，中間絕緣層4_2為聚四氟こ烯，同軸線內(nèi)導體4-1直徑為Φ0. 4_，該導線柱穿透接地板I并通過外導體4-3與接地板I緊固連接、其外端頭直徑為Φ I. 4mm、阻抗為50歐姆，該端頭露出接地板I的底部作為(外接)同軸電纜5的接頭，該錐體式同軸導線柱4的設(shè)置位置(即饋電點位置)距接地板I的中心點32_;用作通信系統(tǒng)信號源輸入的外接同軸電纜5采用常規(guī)特性阻抗為50歐姆的信號傳輸 用同軸電纜，其中5-1為內(nèi)導體、5-2為中間絕緣、5-3為外導體、54為外絕緣層。本實施方式在空氣環(huán)境下對天線特性進行對比實驗得到天線發(fā)射系數(shù)Sll小于-IOdB頻帶為I. 2-1. 8GHz，達到600MHz，而在中心頻率I. 5GHz處SI I則為-20dB，端ロ反射很小(這主要得益于漸變同軸結(jié)構(gòu)對天線阻抗與信號源阻抗之間的良好匹配)；天線主輻射方向圓極化軸比小于4dB頻帶為I. 2-1. 8GHz，也達到了 600MHz，這是背景技術(shù)微帶圓極化天線無法達到的；中心頻率I. 5GHz處軸比則為_3dB，該處圓極化軸比小于_4dB的空間角度為球坐標系Θ <20度；天線定向性較好、主輻射方向位干天線頂部，3dB方向角為52度，天線增益為10.6dB。本實施方式天線特性與背景技術(shù)在相同環(huán)境下對比I.本實施方式螺旋天線的頻帶較寬，從I. 2-1. 8GHz，帶寬為600MHz，而背景技術(shù)中的天線帶寬只有40MHz ；2.本實施方式螺旋天線的圓極化帶寬較寬，軸比小于_4dB頻帶為I. 2-1. 8GHz，達到了 600MHz，而背景技術(shù)中的天軸比小于-4dB帶寬只有10MHz，難以滿足通信中需較寬帶寬的要求；3.本實施方式螺旋天線的增益較大、為10. 6dB，而背景技術(shù)中的天線在空氣環(huán)境下的増益只有7. 5dB、天線增益較小，無法滿足穿透等離子體微波通信系統(tǒng)天線高増益要求。此外，本實施方式在等離子體電子密度10-11/立方厘米、等離子體碰撞頻率為
I.5GHz，包圍天線罩外形為長和寬均為100mm、高為200mm長方體的均勻等離子體環(huán)境下進行仿真(運行)實驗實驗時調(diào)節(jié)永磁鐵偏置磁場大小來驗證其減緩電磁波在等離子體中傳播衰減的效果，實驗的磁場強度分別為O. 1Τ、0. 2Τ、0. 3Τ、0. 4Τ、0. 5Τ、0. 6Τ、0. 7Τ、1Τ八種情況，并與未加永磁鐵(金屬接地板)相同結(jié)構(gòu)立體螺旋天線在相同等離子體環(huán)境下作比較，結(jié)果如下表所示磁場
權(quán)利要求
1.一種增強電磁波在等離子體中穿透性的磁體天線,包括天線及其接地板,將天線與接地板連成一體的同軸饋電導線，其特征在于天線為柱狀式軸向模螺旋天線，將天線與接地板連成一體的同軸導線為錐體式同軸饋電導線柱，在螺旋天線及錐體式同軸饋電導線柱上還設(shè)有一密封式天線罩；錐體式同軸饋電導線柱的下端穿過接地板、外端頭則作為外接同軸電纜的接頭，并通過該饋電導線柱錐環(huán)面上的外導體與接地板緊固連接，錐體式同軸饋電導線柱上端的內(nèi)導體則通過螺旋天線下端將螺旋天線軸芯線正對接地板的中心并垂直于接地板懸空固定，密封式天線罩罩于螺旋天線及錐體式同軸導線柱后、其下口部則與接地板密封固定。
2.按權(quán)利要求I所述增強電磁波在等離子體中穿透性的磁體天線，其特征在于所述接地板為圓板式接地板，材質(zhì)為釹鐵硼永磁體。
3.按權(quán)利要求I所述增強電磁波在等離子體中穿透性的磁體天線，其特征在于所述螺旋天線的材質(zhì)為銅、螺旋線直徑d為0. 5-15mm、螺旋天線直徑D為30-100mm，螺旋節(jié)距23-70mm，螺旋角0為12。-15°、圈數(shù)為4_7圈。
4.按權(quán)利要求I所述增強電磁波在等離子體中穿透性的磁體天線，其特征在于所述錐體式同軸導線柱的錐度為6. 5° -7.5°，錐體式同軸饋電導線柱在接地板上設(shè)置的位置與接地板中心的距離與螺旋天線的半徑相同。
5.按權(quán)利要求I所述增強電磁波在等離子體中穿透性的磁體天線，其特征在于所述螺旋天線下端與接地板之間的距為26-40mm。
6.按權(quán)利要求I所述增強電磁波在等離子體中穿透性的磁體天線，其特征在于所述密封式天線罩為頂端帶密封頭的圓筒形天線罩，材質(zhì)為聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯、下口部則與接地板密封固定。
全文摘要
該發(fā)明屬于高速飛行器導航以及通信用磁體天線，包括柱狀螺旋天線及密封式天線罩，強磁體接地板，錐體式同軸饋電導線柱。該磁體天線由于采用軸向模的螺旋天線并將天線和強永磁鐵設(shè)為一體，既把磁體作為磁場發(fā)生器產(chǎn)生強磁場，又把磁體作為天線接地板，當磁場強度B≥0.5T時螺旋天線發(fā)射的信號即能有效的穿透等離子體，當永磁體磁場增加到1.0T時、天線增益增加到9.6dB，接近天線在空氣中增益10.6dB，電磁波在等離子體中傳播時的衰減降低了30dB。因而具有天線的頻帶帶寬和圓極化帶寬寬，天線電磁波在等離子體中的衰減幅度小，有效提高了天線的增益和對等離子體的穿透性等特點；克服背景技術(shù)因表面等離子體鞘套的存在而導致通信中斷的弊病。
文檔編號H01Q1/48GK102709670SQ201210212888
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月24日
發(fā)明者唐劍明, 趙青, 邢曉俊 申請人:電子科技大學