一種基于等離子體介質(zhì)調(diào)制的磁偶極子天線的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于等離子體介質(zhì)調(diào)制的磁偶極子天線，主要包括等離子體內(nèi)芯和磁線圈，所述等離子體內(nèi)芯為半圓柱形或半圓環(huán)形的等離子體結(jié)構(gòu)，在等離子體內(nèi)芯的外圍纏繞連接一圈磁線圈，磁線圈的兩端與頻率為0.3GHz電磁信號(hào)通過(guò)饋電口進(jìn)行連接。本發(fā)明具有通過(guò)共振調(diào)高天線輻射能力、天線尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于等離子體介質(zhì)調(diào)制的磁偶極子天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種等離子體天線。
【背景技術(shù)】
[0002]天線是無(wú)線電通訊收發(fā)系統(tǒng)中必不可少的重要組成部分，其作用就是發(fā)射或接收無(wú)線電波信號(hào)。在發(fā)射端，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的已調(diào)制的高頻振蕩電流經(jīng)饋電設(shè)備輸入發(fā)射天線，發(fā)射天線將高頻電流或?qū)РㄞD(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線電波，即自由電磁波向周?chē)臻g福射;在接收端，無(wú)線電波通過(guò)接收天線轉(zhuǎn)變成高頻電流或?qū)Рń?jīng)饋電設(shè)備傳送到接收機(jī)。這里所提到的高頻電流、無(wú)線電波等都是能量的不同表現(xiàn)形式。因此，從上述過(guò)程可以看出，天線不但是輻射和接收無(wú)線電波的裝置，同時(shí)也是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，是電路與空間的界面器件。自19世紀(jì)末天線問(wèn)世以來(lái)，為了提高天線的性能和使用范圍，許多科學(xué)家都進(jìn)行了大量的研究，并取得了一系列突破性的成果。近年來(lái)，提高天線的發(fā)射能力成為天線研究的重點(diǎn)。現(xiàn)有天線設(shè)計(jì)除了在結(jié)構(gòu)上優(yōu)化，也采用先進(jìn)的材料來(lái)優(yōu)化天線特性，如:采用等離子體作為介質(zhì)代替金屬實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳播而產(chǎn)生的等離子體天線。
[0003]等離子體是宇宙空間中普遍存在的一種物質(zhì)形態(tài)。通常情況下，物質(zhì)有三種形態(tài)，即固體、液體和氣體。固體可以根據(jù)導(dǎo)電性能的不同，分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體;液體通過(guò)其中的正、負(fù)離子導(dǎo)電；氣體一般不導(dǎo)電。但是，等離子體一般都有很大的電導(dǎo)率，在電磁性能上完全有別于普通氣體，它是由帶電粒子組成整體呈準(zhǔn)中性、有集約效應(yīng)的非束縛態(tài)體系，通常包含電子、離子和中性粒子，是與物質(zhì)的氣態(tài)、液態(tài)、和固態(tài)三態(tài)并存的第四態(tài)。等離子體為典型的色散介質(zhì)，其介電常數(shù)隨著等離子體密度的增大而降低。在外界電磁波的不同影響下，等離子體有可能呈現(xiàn)出兩種不同的性質(zhì):當(dāng)外界電磁波頻率大于等離子體頻率時(shí)，電磁波將被等離子體吸收，與此同時(shí)，天線會(huì)輻射出一定波長(zhǎng)的電磁波，還可以通過(guò)改變等離子體的密度來(lái)改變等離子體頻率，達(dá)到控制天線輻射特性的目的；當(dāng)外界電磁波頻率小于等離子體頻率時(shí)，等離子體的相對(duì)介電常數(shù)小于零，折射率是虛數(shù)，也就意味著電磁波是從光密媒質(zhì)進(jìn)入光疏媒質(zhì)，不能越過(guò)邊界傳播，都要被反射回去，此時(shí)等離子體具有和金屬介質(zhì)類(lèi)似的性質(zhì)。事實(shí)上，電離層本身就是一個(gè)極大的等離子體，短波通信就是利用了這個(gè)性質(zhì)，不同頻率的電磁波能在電離層不同電子濃度處發(fā)生反射，其實(shí)也就是因?yàn)椴煌叨忍幍牡入x子體頻率發(fā)生了變化。
[0004]等離子體天線一般來(lái)說(shuō)由內(nèi)部填充了一定氣體的玻璃管或者陶管所組成，通過(guò)將其內(nèi)部的氣體電離從而使天線處于工作狀態(tài)，在電離過(guò)程中可以對(duì)調(diào)控氣體的密度，控制電磁場(chǎng)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)，使其適應(yīng)不同的傳輸頻率、方向、增益、傳輸帶寬等，因此一個(gè)等離子天線可以承擔(dān)幾個(gè)不同的金屬天線的功能，使得組建天線陣列所需的天線數(shù)量大大減少，其體積和重量也一并減少。等離子天線通常包括兩種類(lèi)型:一類(lèi)是指利用等離子體的電磁波放射特性，構(gòu)成一個(gè)電磁波的反射面，如同通常意義上利用金屬構(gòu)成的面天線反射面。等離子體氣體在一定條件下就像導(dǎo)體一樣可以導(dǎo)電，且可以發(fā)射和接收無(wú)線電信號(hào)；第二類(lèi)等離子體天線就是將等離子發(fā)生器放電管作為天線元件。通電時(shí)，管內(nèi)的惰性氣體電離并成為導(dǎo)體，可發(fā)射和接收電磁波信號(hào)；斷電時(shí)，成為絕緣體，不會(huì)反射電磁波。因此，等離子體天線不同于傳統(tǒng)意義上的金屬天線。相對(duì)于金屬天線，等離子天線可以不需要很大的體積就可以進(jìn)行低頻信號(hào)的傳輸。同樣由于等離子的性質(zhì)，等離子天線將只會(huì)對(duì)低于或等于等離子體本身振蕩頻率的電磁波進(jìn)行響應(yīng)，高于該頻率的電磁波，將可以自由穿過(guò)等離子體天線，并不會(huì)對(duì)等離子體天線產(chǎn)生影響，從而大大降低了等離子體天線之間的干擾。此外，基于等離子體的特殊性質(zhì)，通過(guò)調(diào)整激勵(lì)等離子體功率、磁場(chǎng)等外部參數(shù)改變等離子體的長(zhǎng)度、密度等，可在毫秒至微秒量級(jí)上實(shí)現(xiàn)不同收發(fā)頻率天線的最佳工作狀態(tài)快速重構(gòu)。
[0005]綜上所述，由于等離子獨(dú)特的物理性質(zhì)，使得等離子體天線具有隱身性、重量輕、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。而現(xiàn)有等離子體天線是基于等離子體對(duì)電磁信號(hào)的反射作用，其工作中要求等離子體層厚度大于天線波長(zhǎng)，要求高密度及大厚度的等離子體，不利于小天線的組陣工作。因此，研制一種低密度、小體積的天線是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于提供一種通過(guò)共振調(diào)高天線輻射能力、天線尺寸小、離子體密度及體積較小的基于等離子體介質(zhì)調(diào)制的磁偶極子天線。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案:本發(fā)明主要包括等離子體內(nèi)芯和磁線圈，所述等離子體內(nèi)芯為半圓柱形或半圓環(huán)形的等離子結(jié)構(gòu)，在等離子體內(nèi)芯的外圍纏繞連接一圈磁線圈，磁線圈的兩端與頻率為0.3GHz電磁信號(hào)通過(guò)饋電口進(jìn)行連接。
[0008]進(jìn)一步的，所述等離子體內(nèi)芯采用半圓柱形結(jié)構(gòu)，半徑為3cm?5cm，厚度為I cm?3cm;等離子體內(nèi)芯外圍所纏繞的磁線圈的半徑大于內(nèi)芯半徑、厚度等于內(nèi)芯厚度;磁線圈由半徑為Imm?2mm的金屬導(dǎo)線纏繞而成。
[0009]進(jìn)一步的，所述等離子體內(nèi)芯采用半圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，由于環(huán)形區(qū)域?yàn)榭招慕Y(jié)構(gòu)，為了提高等離子體體積以提高天線輻射效果，需增大環(huán)形結(jié)構(gòu)尺寸，等離子體內(nèi)芯的內(nèi)圓半徑3cm?4.5cm，外圓半徑為6?9cm厘米，厚度為I cm?3cm。
[0010]進(jìn)一步的，所述等離子體內(nèi)芯可采用現(xiàn)有直流放電、介質(zhì)阻擋放電以及微波放電在圓柱或半圓環(huán)形的石英容器內(nèi)放電形成。
[0011 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0012]1、傳統(tǒng)磁偶極子天線的基礎(chǔ)上引入一定結(jié)構(gòu)的等離子體內(nèi)芯，利用等離子體負(fù)介電常數(shù)的特性，在磁偶極子天線內(nèi)部形成電場(chǎng)的共振，通過(guò)共振調(diào)高天線輻射能力，可以達(dá)到原偶極天線輻射強(qiáng)度的10倍。
[0013]2、通過(guò)調(diào)節(jié)等離子體內(nèi)芯的形狀，可以實(shí)現(xiàn)天線輻射場(chǎng)的方向性，該天線尺寸較小，天線工作的等離子體密度及體積也較小，特別適合于小天線的組陣工作。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明采用半圓柱形內(nèi)芯的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0015]圖2是采用半圓柱形內(nèi)芯的天線輻射強(qiáng)度隨等離子體密度變化的特性圖。
[0016]圖3是采用半圓柱形內(nèi)芯的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)特性圖。
[0017]圖4是本發(fā)明采用半圓環(huán)形內(nèi)芯的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0018]圖5是采用半圓環(huán)形內(nèi)芯的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)特性圖。
[0019]圖6是采用半圓環(huán)形內(nèi)芯的線圈內(nèi)部電場(chǎng)分布特性圖。
[0020]附圖標(biāo)號(hào):1_等離子體內(nèi)芯、2-磁線圈。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明:
[0022]如圖1所示，本發(fā)明主要包括等離子體內(nèi)芯I和磁線圈2，所述等離子體內(nèi)芯為半圓柱形等離子體結(jié)構(gòu)，等離子體的產(chǎn)生可以采用石英容器內(nèi)部放電、熱陰極等形式。在等離子體內(nèi)芯的外圍纏繞連接一圈磁線圈。內(nèi)芯的半徑為3cm?5cm，厚度為I cm?3cm;等離子體內(nèi)芯芯外圍所纏繞的磁線圈的半徑略大于內(nèi)芯半徑、厚度等于內(nèi)芯厚度;磁線圈由半徑為Imm?2mm的金屬導(dǎo)線纏繞而成。磁線圈的兩端與頻率為0.3GHz電磁信號(hào)通過(guò)饋電口進(jìn)行連接，進(jìn)一步調(diào)節(jié)放電強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)等離子體密度，在磁線圈表面電流為lA/m2情況下，通過(guò)數(shù)值模擬可以得到距離天線0.9m位置，輻射強(qiáng)度隨著等離子體密度變化特性，如圖2所示。因此實(shí)際天線在工作過(guò)程中，選取等離子體密度為2 X 116Hf3，此時(shí)天線的輻射強(qiáng)度可達(dá)到?jīng)]有等離子體內(nèi)芯時(shí)的10倍，此時(shí)天線遠(yuǎn)程特性如圖3所示。同時(shí)可以通過(guò)在線圈內(nèi)部等離子體內(nèi)芯相對(duì)的半圓柱內(nèi)放置不同介電常數(shù)的介質(zhì)來(lái)改變輻射最大強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的等離子體密度。
[0023]如圖4所示，本發(fā)明主要包括等離子體內(nèi)芯和磁線圈，所述等離子體內(nèi)芯為半圓環(huán)形等離子磁體結(jié)構(gòu)，等離子體內(nèi)芯的內(nèi)圓半徑3cm?4.5cm，外圓半徑為6?9cm厘米，厚度為I cm?3cm。同樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)放電強(qiáng)度選擇最大福射強(qiáng)度作為工作電，而此時(shí)天線遠(yuǎn)場(chǎng)特性如圖5所示，天線輻射有較明顯的方向性，可實(shí)現(xiàn)輻射的定向性。
[0024]磁偶極子天線在沒(méi)有等離子體內(nèi)芯的情況下，其內(nèi)部電場(chǎng)分布如圖6(a)所示，此時(shí)等離子體內(nèi)芯內(nèi)部呈現(xiàn)容性，電場(chǎng)呈現(xiàn)順時(shí)針；當(dāng)引入高密度等離子體后(圖6(b))，等離子體的介電常數(shù)為負(fù)值，呈現(xiàn)感性，而等離子體相對(duì)應(yīng)部分為空氣，介電常數(shù)為正值，呈現(xiàn)容性;兩種情況下線圈內(nèi)部磁場(chǎng)變化相同，由此產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同，也就是電場(chǎng)沿著閉合曲線(圖6中虛線部分)的積分相同。引入等離子體內(nèi)芯后，等離子體內(nèi)部電場(chǎng)為逆時(shí)針?lè)较?，與真空中電場(chǎng)方向相反，從而形成了等離子體內(nèi)芯內(nèi)部電場(chǎng)的共振特性，使得電場(chǎng)強(qiáng)度增大，進(jìn)而提高了天線輻射能力。
[0025]以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于等離子體介質(zhì)調(diào)制的磁偶極子天線，主要包括等離子體內(nèi)芯和磁線圈，其特征在于:所述等離子體內(nèi)芯為半圓柱形或半圓環(huán)形的等離子結(jié)構(gòu)，在等離子體內(nèi)芯的外圍纏繞連接一圈磁線圈，磁線圈的兩端與頻率為0.3GHz電磁信號(hào)通過(guò)饋電口進(jìn)行連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于等離子體介質(zhì)調(diào)制的磁偶極子天線，其特征在于:所述等離子體內(nèi)芯采用半圓柱形結(jié)構(gòu)，半徑為3cm?5cm，厚度為Icm?3cm;等離子體內(nèi)芯外圍所纏繞的磁線圈的半徑大于內(nèi)芯半徑、厚度等于內(nèi)芯厚度;磁線圈由半徑為Imm?2mm的金屬導(dǎo)線纏繞而成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于等離子體介質(zhì)調(diào)制的磁偶極子天線，其特征在于:所述等離子體內(nèi)芯采用半圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，由于環(huán)形區(qū)域?yàn)榭招慕Y(jié)構(gòu)，為了提高等離子體體積以提高天線福射效果，需增大環(huán)形結(jié)構(gòu)尺寸，等離子體內(nèi)芯的內(nèi)圓半徑3cm?4.5 cm，外圓半徑為6?9cm厘米，厚度為I cm?3cm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于等離子體介質(zhì)調(diào)制的磁偶極子天線，其特征在于:所述等離子體內(nèi)芯可采用直流放電、介質(zhì)阻擋放電以及微波放電在圓柱或半圓環(huán)形的石英容器內(nèi)放電形成。
【文檔編號(hào)】H01Q7/00GK106099326SQ201610389875
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月2日 公開(kāi)號(hào)201610389875.4, CN 106099326 A, CN 106099326A, CN 201610389875, CN-A-106099326, CN106099326 A, CN106099326A, CN201610389875, CN201610389875.4
【發(fā)明人】王春生, 王華山, 陳慶杰, 王義德, 楊丹
【申請(qǐng)人】燕山大學(xué)