采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置的制造方法
【專利摘要】采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置，涉及低溫等離子體的技術(shù)領(lǐng)域，為了解決傳統(tǒng)金屬導(dǎo)體天線不能同時實現(xiàn)高增益和小型化、等離子體天線增益小且噪聲大的問題。金屬天線固定在同軸饋電線的底端，同軸饋電線的頂端連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端；真空腔本體的頂端開有進(jìn)氣口和出氣口，真空腔本體的底端固定有真空泵組，放電電極纏繞在真空腔本體的側(cè)壁上，真空腔本體內(nèi)充滿工作氣體，放電電極的一端接地，放電電極的另一端連接射頻功率源的輸出端；同軸饋電線的下部和金屬天線均固定在真空腔本體內(nèi)，同軸饋電線的軸心與真空腔本體的中心線重合。本發(fā)明的輻射增益高、增益可調(diào)、體積小、噪聲小，本發(fā)明適用于應(yīng)用天線的場合。
【專利說明】
采用等離子體調(diào)制増強小型化全向型天線電磁輻射的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及低溫等離子體的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及采用等離子體調(diào)制增強天線電磁輻射的技術(shù)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]天線作為無線通信系統(tǒng)中發(fā)射和接收信號的重要組成部分，天線的性能很大程度上決定著通信系統(tǒng)的優(yōu)劣，因此對天線性能的優(yōu)化研究具有重要的現(xiàn)實意義。天線的增益這一重要的特性參數(shù)，很大程度上決定了其有效覆蓋距離，包括通信距離、偵察距離、干擾距離和測向距離等，在同樣的條件下，天線增益越高，覆蓋距離就越遠(yuǎn)，反之覆蓋距離就越近。
[0003]為了提高天線增益，傳統(tǒng)的方法是利用陣列天線和大口徑的反射面天線來實現(xiàn)， 在通信系統(tǒng)中這些方法已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用。普通的印刷天線的單元組陣可以實現(xiàn)較高的增益特性，但是這不僅要克服影響天線整體性能的互耦問題，而且還需要設(shè)計非常復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，并且具有較大的損耗。反射面天線同樣擁有高增益的特點，其尺寸一般為十幾甚至幾十個波長，雖然可以實現(xiàn)高增益高效率特性，但其較大的尺寸使其在戰(zhàn)爭中極易被發(fā)現(xiàn)，這一劣勢限制了它的應(yīng)用。因此在保持較高增益的前提下，如何使天線的結(jié)構(gòu)更加簡單，并且實現(xiàn)小型化是值得關(guān)注且亟待解決的問題。特別是隨著衛(wèi)星、飛行器、戰(zhàn)車、艦船等移動性作戰(zhàn)平臺的發(fā)展，對無線通信與電子系統(tǒng)的小型化、集成化要求日益提高，以機(jī)載天線為例，由于飛行器上用于安裝天線的空間受到嚴(yán)格的限制，通常對天線的尺寸與形狀都會有明確的要求和限制，天線小型化技術(shù)面臨著天線增益有限、靈敏度和分辨率低等問題，在眾多現(xiàn)實條件的限制下，為了在天線小型化的基礎(chǔ)上提高天線增益，需要付出高昂的成本和巨大的代價，并且常常達(dá)不到理想的效果，因此通過特殊技術(shù)手段來提高天線增益對于促進(jìn)無線通信技術(shù)的發(fā)展以及滿足特殊軍事戰(zhàn)略需求等方面具有重要意義。
[0004]近年來，等離子體科學(xué)與技術(shù)研究的不斷深入促進(jìn)了等離子體技術(shù)在無線通信領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。比較有代表性的工作是等離子體天線技術(shù)，等離子體天線是采用等離子體代替普通金屬傳導(dǎo)和輻射電磁波的天線，利用等離子體對一定頻率的電磁波呈現(xiàn)良導(dǎo)體特性而制成。從現(xiàn)在的發(fā)展來看，等離子體天線還存在兩個主要的缺點。首先，與金屬天線相比，等離子體天線的增益較小，覆蓋能力相對有限；其次，由于等離子體天線依靠等離子體來收發(fā)電磁信號，受等離子體中電子熱運動的影響，因此天線的噪聲較大。這兩個方面是影響等離子體天線應(yīng)用的主要因素，也是當(dāng)前等離子體天線研究的關(guān)鍵問題。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)金屬導(dǎo)體天線不能同時實現(xiàn)高增益和小型化、等離子體天線增益小且噪聲大的問題，從而提供采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置。
[0006]本發(fā)明所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置，包括小型化全向型天線系統(tǒng)和等離子體調(diào)制增強電磁輻射系統(tǒng)；
[0007]小型化全向型天線系統(tǒng)包括金屬天線、同軸饋電線和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；
[0008]金屬天線固定在同軸饋電線的底端，同軸饋電線的頂端連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出立而；
[0009]等離子體調(diào)制增強電磁輻射系統(tǒng)包括真空腔室、放電電極和射頻功率源；
[0010]真空腔室包括真空腔本體和真空栗組，真空腔本體的頂端開有進(jìn)氣口和出氣口， 真空腔本體的底端固定有真空栗組；
[0011]放電電極纏繞在真空腔本體的側(cè)壁上，真空腔本體內(nèi)充滿工作氣體，放電電極的一端接地，放電電極的另一端連接射頻功率源的輸出端；
[0012]同軸饋電線的下部和金屬天線均固定在真空腔本體內(nèi)，同軸饋電線的軸心與真空腔本體的中心線重合。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:(1)相比于介質(zhì)覆蓋或者介質(zhì)透鏡法等增強天線電磁輻射的方式，通過等離子體調(diào)制增強電磁輻射裝置，使得天線在相同發(fā)射功率下，天線的輻射增益可以得到提高，增益值達(dá)到幾分貝至幾十分貝；(2)相比于利用陣列天線和大口徑的反射面天線，本發(fā)明中采用等離子體調(diào)制增強的方式可有效減少天線體積，減少雷達(dá)散射截面， 降低被敵方發(fā)現(xiàn)的可能性；(3)相比于等離子體天線，本發(fā)明保留了傳統(tǒng)金屬導(dǎo)體天線或者印刷電路板天線的低噪聲、高增益等優(yōu)勢，并且本發(fā)明進(jìn)一步提高了天線增益；(4)等離子體調(diào)制增強天線電磁輻射系統(tǒng)可根據(jù)天線實際工作需求隨時關(guān)閉和開啟；(5)通過控制射頻功率源，可隨意調(diào)節(jié)采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置的增益值；(6)等離子體調(diào)制增強電磁輻射裝置產(chǎn)生的等離子體對于敵方探測電磁波信號具有吸收、散射作用，可以一定程度的減少天線的雷達(dá)散射截面，實現(xiàn)天線隱身功能。
[0014]本發(fā)明適用于應(yīng)用天線的場合?！靖綀D說明】
[0015]圖1是【具體實施方式】一所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是【具體實施方式】九中的不同放電功率下小型化全向型天線的增益曲線圖。 【具體實施方式】
[0017]【具體實施方式】一:參照圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置，包括小型化全向型天線系統(tǒng)和等離子體調(diào)制增強電磁輻射系統(tǒng)；
[0018]小型化全向型天線系統(tǒng)包括金屬天線1、同軸饋電線2和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3;
[0019]金屬天線1固定在同軸饋電線2的底端，同軸饋電線2的頂端連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀3 的輸出端；
[0020]等離子體調(diào)制增強電磁輻射系統(tǒng)包括真空腔室、放電電極4和射頻功率源5;
[0021]真空腔室包括真空腔本體6和真空栗組9,真空腔本體6的頂端開有進(jìn)氣口 7和出氣口 8，真空腔本體6的底端固定有真空栗組9;
[0022]放電電極4纏繞在真空腔本體6的側(cè)壁上，放電電極4的一端接地，放電電極4的另一端連接射頻功率源5的輸出端；
[0023]同軸饋電線2的下部和金屬天線1均固定在真空腔本體6內(nèi)，同軸饋電線2的軸心與真空腔本體6的中心線重合。
[0024]等離子體調(diào)制增強電磁輻射系統(tǒng)，能夠使得真空腔室內(nèi)部產(chǎn)生等離子，放電電極4 和射頻功率源5組成放電裝置，可采用由直流放電、交流放電、脈沖放電及其基于相似原理演化的其他放電形式，其中，放電裝置的放電電極或放電天線置于真空腔室的內(nèi)部或外部， 通過饋電線與射頻功率源連接，通過調(diào)節(jié)射頻功率源的電壓、電流、功率等參數(shù)實現(xiàn)對等離子體參數(shù)的控制和保持。真空腔本體6側(cè)壁的材料為石英玻璃。[〇〇25]【具體實施方式】二:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置作進(jìn)一步說明，本實施方式中，真空腔室還設(shè)有向內(nèi)凹陷的腔室10,腔室的開口側(cè)位于真空腔室的頂端，向內(nèi)凹陷的腔室10與真空腔室為分體結(jié)構(gòu)且密封連接，同軸饋電線2的下部和金屬天線1均固定在內(nèi)凹陷的腔室內(nèi)。[〇〇26]真空腔本體6的形狀不限，為圓柱形、橢圓柱形、三角柱形、長方體形、正方體形、球形、橢球形等，向內(nèi)凹陷的腔室10的形狀不限，為圓柱形、橢圓柱形、三角柱形、長方體形、正方體形、球形、橢球形等。
[0027]【具體實施方式】三:本實施方式是對【具體實施方式】二所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置作進(jìn)一步說明，本實施方式中，采用密封膠或者機(jī)械緊固裝置將向內(nèi)凹陷的腔室10與真空腔室密封連接。
[0028]【具體實施方式】四:本實施方式是對【具體實施方式】二或三所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置作進(jìn)一步說明，本實施方式中，向內(nèi)凹陷的腔室10 采用石英玻璃管實現(xiàn)。
[0029]【具體實施方式】五:本實施方式是對【具體實施方式】一、二或三所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置作進(jìn)一步說明，本實施方式中，所述金屬天線1 采用單極子天線、雙極子天線或印刷電路板天線實現(xiàn)。
[0030]【具體實施方式】六:本實施方式是對【具體實施方式】一、二或三所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置作進(jìn)一步說明，本實施方式中，放電電極4采用空心銅管實現(xiàn)。
[0031]【具體實施方式】七:本實施方式是對【具體實施方式】六所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置作進(jìn)一步說明，本實施方式中，空心銅管內(nèi)通水，采用水冷對空心銅管進(jìn)行冷卻。
[0032]【具體實施方式】八:本實施方式是對【具體實施方式】一、二或三所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置作進(jìn)一步說明，本實施方式中，真空腔本體6內(nèi)充滿氬氣。[0033 ]【具體實施方式】九:參照圖2具體說明本實施方式，本實施方式是對【具體實施方式】一所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置作進(jìn)一步說明，本實施方式中，金屬天線1為雙極子天線，包括兩個直徑①=20mm，厚度d = 1mm的圓形平板銅片，兩個銅片分別焊接在直徑①=4mm，長度L= 100mm的同軸饋電線2底端的中心銅線和外屏蔽層上，同軸饋電線2的另一端為連接頭，用以連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，共同構(gòu)成小型化全向天線系統(tǒng)。等離子體調(diào)制增強天線電磁輻射裝置，包括真空腔室、放電電極4和射頻功率源5,真空腔室由外徑為①=80mm的圓柱石英玻璃管構(gòu)成，石英玻璃管壁厚d = 5mm，高h(yuǎn)= 150mm，上下兩端為304號不銹鋼端蓋，并利用環(huán)氧膠密封，上端蓋中心處開一直徑?=40mm的圓孔， 上部焊接kf40直通標(biāo)準(zhǔn)接口，用于放置外徑? = 30mm，厚2mm的石英玻璃管，構(gòu)成小型化全向天線放置腔，該石英玻璃管一端開口另一端封閉，類似于試管結(jié)構(gòu)，其中開口一端外部膠裝一 304號不銹鋼固定環(huán)，利用膠圈和卡箍將天線放置腔固定環(huán)與真空腔室密封連接，上端不銹鋼端蓋距中心d = 26mm位置處中心對稱地開有兩個直徑? = 6mm的氣嘴，分別為進(jìn)氣口 7和出氣口8,由進(jìn)氣口 7通入氬氣作為工作氣體，出氣口8用于放氣。下端不銹鋼端蓋在中心位置開有一直徑?=35mm的圓孔，圓孔上焊接kf40直通標(biāo)準(zhǔn)接口，通過真空波紋管連接真空栗組9。放電電極4和射頻功率源5組成電感耦合等離子體發(fā)生裝置，空心銅管作為放電電極，在真空腔室的石英玻璃管外側(cè)纏繞阻數(shù)n = 3,外徑? = 10mm，內(nèi)徑? =8mm的空心銅管； 空心銅管內(nèi)部通水用于對空心銅管進(jìn)行冷卻;放電電極的一端嚴(yán)格接地，另一端連接射頻功率源5。工作時，射頻功率源5的頻率為13.56MHz，功率在0?2000W的范圍內(nèi)可調(diào)，射頻功率源5使真空腔室內(nèi)部氣體部分被電離從而產(chǎn)生所需等離子體。
[0034]圖2是本實施方式得到的小型化全向型天線增益值S21隨射頻功率源5的功率的變化情況，本實施方式中小型化全向天線工作在1.2GHz頻率下，通過調(diào)節(jié)13.56MHz射頻功率源5的放電功率，得到某一氣壓下的小型化全向型天線增益值S21隨放電功率的變化情況，當(dāng) 13.56MHz射頻功率源5的放電功率達(dá)到40w以上時，小型化全向型天線增益值S21要比沒有等離子體調(diào)制增強時的增益值提高5dB?8dB，并且在較寬的放電功率內(nèi)均有優(yōu)良的提高增益的作用。
【主權(quán)項】
1.采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置，其特征在于，包括小型 化全向型天線系統(tǒng)和等離子體調(diào)制增強電磁輻射系統(tǒng)；小型化全向型天線系統(tǒng)包括金屬天線(1)、同軸饋電線(2)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(3);金屬天線(1)固定在同軸饋電線(2)的底端，同軸饋電線(2)的頂端連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析 儀(3)的輸出端；等離子體調(diào)制增強電磁輻射系統(tǒng)包括真空腔室、放電電極(4)和射頻功率源(5);真空腔室包括真空腔本體(6)和真空栗組(9)，真空腔本體(6)的頂端開有進(jìn)氣口(7)和 出氣口(8)，真空腔本體(6)的底端固定有真空栗組(9);放電電極(4)纏繞在真空腔本體(6)的側(cè)壁上，放電電極(4)的一端接地，放電電極(4) 的另一端連接射頻功率源(5)的輸出端；同軸饋電線(2)的下部和金屬天線(1)均固定在真空腔本體(6)內(nèi)，同軸饋電線(2)的軸 心與真空腔本體(6)的中心線重合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置， 其特征在于，真空腔室還設(shè)有向內(nèi)凹陷的腔室(10)，該腔室的開口側(cè)位于真空腔室的頂端， 向內(nèi)凹陷的腔室(10)與真空腔室為分體結(jié)構(gòu)且密封連接，同軸饋電線(2)的下部和金屬天 線(1)均固定在內(nèi)凹陷的腔室內(nèi)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置， 其特征在于，采用密封膠或者機(jī)械緊固裝置將向內(nèi)凹陷的腔室(10)與真空腔室密封連接。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝 置，其特征在于，向內(nèi)凹陷的腔室(10)采用石英玻璃管實現(xiàn)。5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的 裝置，其特征在于，所述金屬天線(1)采用單極子天線、雙極子天線或印刷電路板天線實現(xiàn)。6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的 裝置，其特征在于，放電電極(4)采用空心銅管實現(xiàn)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的裝置， 其特征在于，空心銅管內(nèi)通水，采用水冷對空心銅管進(jìn)行冷卻。8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的采用等離子體調(diào)制增強小型化全向型天線電磁輻射的 裝置，其特征在于，真空腔本體(6)內(nèi)充滿氬氣。
【文檔編號】H04L27/34GK106025546SQ201610356451
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】聶秋月, 孔繁榮, 孫宇飛, 林澍, 張仲麟, 王春生, 江濱浩
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)