柱形等离子体天线阻抗及辐射特性实验研究

赵建森 张芝涛， 王 健 徐晓文 俞 哲

（1.大连海事大学轮机工程学院，辽宁 大连 116026；2.大连海事大学物理系，辽宁 大连 116026）

引 言

等离子体天线是利用等离子体来代替金属作为天线元的射频天线［1-2］。对于高密度等离子体，电磁波的趋夫深度很小，等离子体的导电性能与金属天线类似，电磁波将会沿着柱形等离子体传播，可作为天线进行电磁波信号的发射与接收。与传统金属天线相比，等离子体天线具有许多它独有的特性［2-5］，如隐身特性，当不需要进行通信时，雷达散射截面（RCS）接近于0，可以满足天线隐身的需求。再者通过改变等离子体天线内部的参数，可以动态改变天线的辐射方向图、增益、带宽等特性，实现天线的动态重构［4-5］。

正是由于等离子体天线相对于传统天线拥有其不可比拟的优势，国际上许多科研机构都已对等离子体天线展开了如火如荼的研究。在国外如美国、澳大利亚、法国等已有实用装置应用于实战试验，并申请了大量的专利［2-3，6-9］。国内许多研究机构也做了大量的理论和实验研究工作［1，3-5，10-15］，如表面波等离子体天线的物理特性研究，对等离子体天线在较窄频带内天线性能的测试，等离子体天线阻抗、方向图、增益的理论计算以及电磁波和等离子体相互作用研究等。但对天线带宽特性的报道很少。本文设计了等离子体天线实验系统，在较宽的频带范围内对柱形等离子体天线阻抗带宽特性和辐射特性进行了实验研究，得出的结果为宽频带柱形等离子体天线的构建提供参考。

1.基本原理

低气压气体放电所产生的等离子体为非磁化冷等离子体，是典型的色散媒质［11］。在等离子体中，电磁波的传播特性与相对介电常数εr密切相关，相对介电常数可以表示为

式中:ν为等离子体电子和中性粒子的碰撞频率；ω为入射电磁波的角频率；ωpe为等离子体角频率；其表达式为

式中:ne为等离子体电子密度；me为电子质量；ε0为真空介电常数。对于低温等离子体，可假设ν等于0.则相对介电常数可以写成

从式（3）可以看出，当信号频率大于等离子体频率时，相对介电常数0＜εr＜1，则电磁波可以穿过等离子体。当信号频率小于等离子体频率时，相对介电常数εr＜0.电磁波不能在等离子体中传播，而是在等离子体外表面与介质管内表面之间以表面波的形式传播，且沿径向传播的电磁波迅速衰减。这时，等离子体可以作为天线进行电磁波的传播。当信号在等离子体中以表面波的形式传播时，如果是均匀等离子体，沿等离子体柱的表面波波矢k可以由下式得到［5，11-12］:

式中:I（·）与K（·）分别为第一、第二类修正贝塞尔函数；α为等离子体柱半径；T2p=k2-εrk20，T20=k2-k20，k为等离子体波矢，k0=ω／c为自由空间波矢。通过理论证明可得到:当ω／ωpe非常小时，相位常数接近自由空间的波数，而衰减常数非常小，此时等离子体的性质如同金属。通过调整等离子体参数使得在电子密度足够大时，可将等离子体作为天线进行通信。

2.实验系统

图1为柱形等离子体天线测量系统，天线主体为充有氩气的石英管，长度为1m，直径为12mm.经具有较高精度的麦氏真空计测量，气压为550 Pa.信号发生器（Agilent，N9310，9kHz～3.0GHz）发射的功率为10dBm，即10mW，与发射天线相连接。金属发射天线与信号发生器之间用特性阻抗50Ω的同轴线相连，目的是与信号发生器的射频端口匹配。天线与信号源之间接有阻抗匹配电路，以确保在50～450MHz信号频率范围内的驻波比小于1.5.采用了传统的比较法对天线增益进行测量。标准天线在150～433MHz之间的增益为3.7～4.4dBi.等离子体天线连接频谱分析仪（N9010A，Agilent，9kHz～3.6GHz）或矢量网络分析仪（E5071C，Agilent，9kHz～4.5GHz）.等离子体天线和网络分析仪之间未加匹配电路，以便于研究天线的工作频带和阻抗特性。利用远场测量的方法对方向图进行测量。测量完数据之后，将等离子体天线与发射天线对调，即将信号源直接连接等离子体天线，而频谱分析仪连接金属天线，分析仪和金属天线之间连有匹配电路。对两种情况下等离子体天线的相对增益进行了比较，得出结论。

图1 等离子体天线接收特性测量的实验装置图

3.实验结果与分析

3.1 柱形等离子体天线的阻抗特性

利用矢量网络分析仪，对等离子体天线阻抗Z=R+j X进行了测量。从图2可以看出:等离子体天线工作时当频率在170～270MHz内，等离子体天线的阻抗值随频率的变化非常平缓，电阻R接近50Ω而电抗X接近0.网络分析仪输出端口的特性阻抗与传输线的特性阻抗均为50Ω，这说明能够在该频段内容易实现阻抗匹配。图3中的驻波比曲线则是更好地体现了等离子体天线的宽带阻抗特性。实验频率范围与阻抗特性测量的频率范围相同。当未开启等离子体天线时，驻波比在该频段非常大，在较低频段时甚至超过了40.当等离子体天线工作时，情况明显不同。驻波比大幅度减小，在167～280MHz频率范围内的驻波比VSWR均低于2，接近1.5.频带宽度为113MHz，是一种具有宽带阻抗特性的天线。与相同结构和尺寸的金属天线相比，两款天线均没有施加匹配电路的情况下，金属天线只是在一定的频率范围内驻波比接近1，频带宽度小于10MHz，不足等离子体天线带宽的十分之一。这说明，等离子体天线不仅在隐身方面具有金属天线无法替代的优势，同时也表现出了很好的宽频带阻抗特性。

图4 等离子体天线作接收／发射天线时的相对增益

等离子体天线作为发射和接收天线的相对增益测试结果如图4所示。等离子体天线连接信号发生器时频谱分析仪接收信号的功率略大于连接频谱仪时频谱仪接收信号的功率，两者功率的差值大小不一，最大的相差2dB.该实验结果经不同时间、不同实验场所多次实验验证。为何会出现这一情况呢？主要原因在于:电磁波信号对电子温度电子密度产生影响实际上是高频电磁场对等离子体中的电子和离子产生了作用力［14］，使带电粒子在电磁场中不断获得加速度。在电磁场的作用下，等离子体中带电粒子在高频电场的作用下显然也要做高频振荡，在粒子密度足够高，电子与中性粒子碰撞不可忽略的情况下必然加剧粒子间的碰撞过程。电子与中性粒子的碰撞加剧，碰撞次数随入射电磁波频率的增加而提高，进而提高了等离子体的电离度，电子密度随电磁波频率的提高而增加。等离子体的电子密度增加，提高了天线的导电性，这使得等离子体天线在连接信号发生器时的增益略高于连接频谱仪的增益。设想，如果信号源的功率继续增大，有可能关闭天线激励源而只通过信号源就可以维持等离子体天线的正常工作，这样便节省了能源，该项工作正在研究中。表1为柱形等离子体天线与相同结构和尺寸的柱形金属天线的相对增益，金属天线配有匹配电路，使驻波比在宽带范围内低于1.5.实验中的参考天线为在144～430MHz增益为3.7～4.4dBi的标准增益天线，通过比较法对两款天线的增益进行测量。实验频率范围在160～200MHz之间。可以看出在该频段内，等离子体天线的增益可与金属天线相媲美。甚至在有些频段内，等离子体天线增益略高于金属天线。本实验中等离子体的电子密度约为1.75×1016m-3，等离子体频率f的计算公式［14］为

利用式（5）计算等离子体的频率f约为1.18 GHz，远大于试验信号的频率，可以作为天线进行通信。随着电磁波的频率继续增大，等离子体天线的似金属性越来越差。因此，实验发现，当电磁波频率大于290MHz时，等离子体天线的增益较金属天线越来越差，需要调整放电状态增加电子密度满足通信要求。

表1 等离子体天线与金属天线的增益

3.3 柱形等离子体天线的方向图

参照金属天线的远场测量方法，测试场地设置在空旷的野外，进行远场辐射方向图的测量。由于是测量柱形等离子体天线的方向图，在H面天线的各个方向所接收的功率相差不大，为全向性天线。因此，只测量了天线的E面方向图。图5表示的是试验频率在200MHz时，等离子体天线和具有相同结构和尺寸的金属天线E面归一化方向图的理论值和实验值。可以看出，两款天线的方向图测量值非常接近，同理论计算的结果吻合较好，而且增益相差不大，这说明等离子体天线电子密度较大且信号频率较低的情况下，天线的增益可以与金属天线相媲美。实验证明，其增益在50～260MHz频率范围内可以与相同构造的金属天线相比。但在频率超过290MHz后该等离子体天线无法与金属天线相提并论。原因在于当信号频率增大时，等离子体的似金属性越来越差，越来越趋向于有损耗的介质，电磁波在传播过程中不断被衰减。因此，需要对等离子体的电子密度做进一步的调节以满足天线的增益要求。

图5 等离子体天线和金属天线的方向图

4.结 论

通过研究柱形等离子体天线的阻抗特性和辐射特性，发现等离子体天线在很宽的频带范围内，具有良好的组抗特性和增益特性。同金属天线相比，等离子体天线不但具有隐身特性，还具有较好的宽频带阻抗特性，这将使得等离子体天线在军事应用中大大站稳脚跟。尽管入射电磁波的功率非常小，但也增加了等离子体天线的电子密度，使得天线的增益有所增强。在信号频率远远低于等离子体频率的情况下，等离子体天线的增益几乎可与金属天线相媲美。

［1］李 圣.表面波等离子体天线物理特性的理论分析［J］.南华大学学报:自然科学版，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，曹立辉，陈金来.等离子体天线研究概况及发展动态［J］.内燃机与动力装置，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］梁志伟，王之江，赵国伟，等.等离子体天线的噪声测量及分析［J］.电波科学学报，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］梁志伟，赵国伟，徐 杰，等.柱形等离子体天线辐射特性的矩量法分析［J］.电波科学学报，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］赵国伟，徐跃民.等离子体隐身中天线参数的数值计算［J］.微波学报，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.等离子体单极天线辐射特性和隐身性能研究［J］.航空计算技术，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］吴振宇，杨银堂，汪家友.等离子体天线表面电流分布与辐射特性研究［J］.物理学报，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］孙乃峰，王世庆，慈加祥.潘宁气体真空等离子体天线的基本特性研究［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.等离子体鞘套中的电磁波传播特性研究［J］.电波科学学报，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）