專(zhuān)利名稱(chēng)：一種具有全向掃描功能的陣列等離子體天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種等離子體天線陣列，特別是涉及全向掃描的表面波驅(qū)動(dòng)等離子體 天線陣列，可以實(shí)現(xiàn)天線的隱身和方向圖可重構(gòu)功能。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的高速發(fā)展對(duì)通信系統(tǒng)天線提出了更高的要求。通信天線正在 向著頻率可重構(gòu)和方向圖可重構(gòu)的方向發(fā)展。相比傳統(tǒng)金屬天線，等離子體天線采用等離 子體代替普通金屬來(lái)傳導(dǎo)和輻射電磁波，因此具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)首先，通過(guò)控制等離子體 參數(shù)，可以使天線的輻射方向圖、效率和工作帶寬等特性實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)；第二，等離子體天 線在沒(méi)有激發(fā)的時(shí)候是普通介質(zhì)，雷達(dá)散射截面極小。第三，構(gòu)成等離子體天線的氣體材料 重量輕，因此它可制成便攜天線；第四，等離子體天線的外部封裝管如果用可塑材料制成， 那么等離子體天線物理形態(tài)可以根據(jù)需要進(jìn)行彎折改變。單個(gè)等離子體天線的輻射方向圖、工作帶寬等特性顯然能夠在一定范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng) 態(tài)調(diào)整，但是調(diào)整的范圍有限。等離子體天線陣列中的每個(gè)等離子體天線單元的輻射特性 都可以通過(guò)調(diào)整其中等離子體參數(shù)(如等離子體頻率、電子碰撞頻率等)來(lái)進(jìn)行控制。如果 改變等離子體天線陣列中某個(gè)天線單元的等離子體參數(shù)，可以使該單元的輻射強(qiáng)度發(fā)生變 化，進(jìn)而使得整個(gè)陣列的輻射特性變化。等離子體天線陣列中任意一個(gè)天線單元輻射特性 的變化都可以用來(lái)控制陣列的整體輻射特性，所以等離子體天線陣列的可控范圍更寬。它 的特點(diǎn)主要在于首先在饋電信號(hào)方面，等離子體天線陣列的各個(gè)天線單元可以在同相饋 電的情況下，利用每個(gè)單元不同的等離子體參數(shù)調(diào)整和設(shè)置實(shí)現(xiàn)單元方向圖的變化，使等 離子體天線陣列整體的輻射特性實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制。第二，等離子體天線陣列單元之間的互耦 可以控制。在某個(gè)單元不工作時(shí)，可以將它的激勵(lì)信號(hào)取消，那么這個(gè)等離子體柱就消失成 為介質(zhì)管中的普通惰性氣體，它對(duì)于陣列中其他單元沒(méi)有互耦作用。第三，等離子體天線陣 列的輻射單元數(shù)量也可以動(dòng)態(tài)控制。既可以使用單個(gè)等離子體天線產(chǎn)生全向輻射，也可以 使用多個(gè)等離子體天線單元共同作用產(chǎn)生可以動(dòng)態(tài)掃描的輻射方向圖。第四，等離子體天 線陣列中各個(gè)單元可以在不同頻段工作，可以將它設(shè)計(jì)成為多頻天線。等離子體材料具有 高通濾波的特性，它對(duì)高于等離子體頻率的電磁波是“隱身”的。因此不同頻段的各個(gè)等離 子體天線單元可以同時(shí)工作。2009年，美國(guó)專(zhuān)利US7474273-B1公開(kāi)了一種平面等離子體面板構(gòu)成的等離子體 天線陣列。該天線類(lèi)似相控陣天線，包括在一個(gè)平面基板上的多個(gè)被電離氣體充填的等離 子體殼，被稱(chēng)為等離子體平板。等離子體殼被連接到兩個(gè)電極以提供驅(qū)動(dòng)電壓，每一個(gè)等 離子體殼都可以作為一個(gè)偶極子天線，多個(gè)等離子體殼可以排列或者連接起來(lái)形成天線陣 列。但是該發(fā)明仍然基于相控陣原理，即各個(gè)天線單元的饋電信號(hào)要有一定的相位差，因此 天線陣列的饋電相位控制比較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種饋電方法簡(jiǎn)單，輻射特性快速可調(diào)，可以進(jìn)行方向圖 全向掃描的等離子體天線陣列。本發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)—種具有全向掃描功能的陣列等離子體天線，包括多個(gè)工作于表面波模式的等離 子體天線單元，多個(gè)等離子體天線單元在同一圓環(huán)上等間距地排列分布，相鄰兩個(gè)等離子 體天線單元的距離為λ/8-λ/4，其中λ = c/f，光速c = 3X108m/s，f為等離子體天線陣 列的工作頻率，即通信信號(hào)的工作頻率；所述等離子體天線單元包括介質(zhì)管、惰性氣體、激勵(lì)饋電環(huán)、信號(hào)饋電環(huán)和接地 板；介質(zhì)管是中空的圓柱管，其中封裝了惰性氣體；介質(zhì)管下端的外部設(shè)置激勵(lì)饋電環(huán)，激 勵(lì)饋電環(huán)是金屬圓環(huán)；接地板是圓形的金屬平板，放置在介質(zhì)管的正下方；信號(hào)饋電環(huán)是 環(huán)狀的金屬片，環(huán)繞在介質(zhì)管的底部，設(shè)置在激勵(lì)饋電環(huán)和接地板之間；各個(gè)等離子體天線 單元的激勵(lì)饋電環(huán)通過(guò)導(dǎo)線分別與各自的射頻激勵(lì)電源相連，而激勵(lì)控制器用于控制各個(gè) 射頻激勵(lì)電源施加到對(duì)應(yīng)的等離子體天線單元上的功率；多個(gè)等離子體天線單元的信號(hào)饋 電環(huán)通過(guò)導(dǎo)線與信號(hào)輸入端口相連，用于將來(lái)自信號(hào)輸入端口的等幅同相的通信信號(hào)同時(shí) 饋入到等離子體天線。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，所述激勵(lì)饋電環(huán)的材料為導(dǎo)電性能良好的金屬，能承 受100W以下的激勵(lì)功率。所述射頻激勵(lì)電源輸出10-30MHZ的正弦波信號(hào)，其功率在1 OOW以下連續(xù)可調(diào)。所述介質(zhì)管的長(zhǎng)度被設(shè)置為λ/4。所述介質(zhì)管由玻璃或者耐熱塑料制成，介質(zhì)管的厚度為0. 5mm-4mm。所述接地板的半徑與介質(zhì)管的半徑之比小于3。所述信號(hào)饋電環(huán)設(shè)置在接地板之上8_12mm，激勵(lì)饋電環(huán)設(shè)置在信號(hào)饋電環(huán)之上 3_6mm0所述惰性氣體優(yōu)選選擇氬氣、氖氣、氦氣、氪氣或氙氣；惰性氣體的壓強(qiáng)為 IOmTorr-IOTorr。所述惰性氣體中還可摻入水銀蒸汽。本發(fā)明來(lái)自射頻激勵(lì)源的高功率射頻信號(hào)通過(guò)激勵(lì)饋電環(huán)對(duì)介質(zhì)管中的惰性氣 體進(jìn)行激勵(lì)。激勵(lì)饋電環(huán)將介質(zhì)管底部的惰性氣體電離，激發(fā)產(chǎn)生的表面波繼續(xù)沿著介質(zhì) 管向頂端傳播，使得介質(zhì)管中的惰性氣體被電離成為等離子體柱。同時(shí)，來(lái)自信號(hào)饋電端口 的等幅同相的通信信號(hào)通過(guò)信號(hào)饋電環(huán)施加到等離子體柱上，同樣以表面波的形式傳導(dǎo)并 且輻射出去。多個(gè)等離子體天線單元排列起來(lái)同時(shí)工作構(gòu)成等離子體天線陣列。各個(gè)等離 子體天線單元在平面的圓環(huán)上等間距地排列。當(dāng)?shù)入x子體天線陣列工作時(shí)，所有等離子體 天線單元都同時(shí)受到激勵(lì)處于工作狀態(tài)，而且每個(gè)天線單元上都同時(shí)饋入了通信信號(hào)。不 同的是，等離子體天線陣列中有部分天線單元的輻射性能比其他天線單元更強(qiáng)激勵(lì)控制 器可以使施加在某個(gè)等離子體天線單元的激勵(lì)饋電環(huán)上的功率增強(qiáng)，使得介質(zhì)管中惰性氣 體被電離的程度更高，從而使其中產(chǎn)生的等離子體的密度更高，因此該天線單元中的等離 子體具有更高的電導(dǎo)率，所以它的輻射性能比其他天線單元更強(qiáng)，使得整個(gè)天線陣列在這 個(gè)方向上具有較強(qiáng)的輻射方向性。在需要產(chǎn)生較強(qiáng)輻射的方向上，選擇相應(yīng)位置的等離子 體天線進(jìn)行較大功率的激勵(lì)，就能在該方向上產(chǎn)生較強(qiáng)的方向圖指向性。所以該等離子體天線陣列的輻射方向圖可以在天線單元分布的平面上進(jìn)行360°的全向掃描。本發(fā)明與現(xiàn)有等離子體天線技術(shù)相比，其有益效果是等離子體天線陣列的各個(gè) 天線單元都同時(shí)被激發(fā)成為等離子體天線，而且通信信號(hào)都等幅同相地饋入到天線單元 上，所以各個(gè)天線單元是同時(shí)工作的，這樣可以具有較高的輻射方向性系數(shù)。通過(guò)改變等離 子體天線單元的射頻激勵(lì)功率，可以靈活地對(duì)各個(gè)天線單元的等離子體電導(dǎo)率和輻射強(qiáng)度 進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，因此其輻射特性的可控性更寬、更快速。等離子體天線陣列的方向圖可以指 向需要的方向，這相比單個(gè)等離子體天線只能呈現(xiàn)倒“8”字形的方向圖具有更好的方向圖 控制性，能夠?qū)⑤椛涔β始性谛枰姆较蛏?，因此方向性系?shù)更高。本發(fā)明與普通金屬天線陣列相比，其有益效果是等離子體天線陣列的饋電采用 等幅同相饋電方式，這樣免去了金屬天線陣列對(duì)各個(gè)天線單元的饋電端口的相位控制電路 的復(fù)雜性、不穩(wěn)定性和成本高特性；另外，等離子體天線陣列通過(guò)改變某個(gè)天線單元的激勵(lì) 功率使其等離子體電導(dǎo)率變化，從而影響天線陣列的方向圖指向性，這是一種電控的方向 圖掃描，可以實(shí)現(xiàn)方向圖的快速動(dòng)態(tài)重構(gòu)。


圖1是本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明等離子體天線單元1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中示出等離子體天線單元1、介質(zhì)管2、惰性氣體3、激勵(lì)饋電環(huán)4、射頻激勵(lì)源 5、激勵(lì)控制器6、信號(hào)饋電環(huán)7、信號(hào)輸入端口 8、接地板9。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。如圖1所示，全向掃描的等離子體天線陣列包括了多個(gè)等離子體天線單元1，多個(gè) 等離子體天線單元1在同一圓環(huán)上等間距地排列分布，相鄰兩個(gè)等離子體天線單元1的距 離固定，介于λ/8-λ/4，其中λ = c/f，光速C = 3X108m/s，f為等離子體天線陣列的工 作頻率；等離子體天線單元的數(shù)量N為4-8。如果天線單元數(shù)量增多，則增加圓環(huán)半徑就可 以保持相鄰天線單元的直線距離固定。如圖2所示，等離子體天線單元1包括介質(zhì)管2、惰性氣體3、激勵(lì)饋電環(huán)4、信號(hào)饋 電環(huán)7和接地板9 ；介質(zhì)管2可以由玻璃或者耐熱塑料制成，介質(zhì)管2是中空的圓柱管，厚度 優(yōu)選為0. 5mm-4mm，其中封裝了惰性氣體3，長(zhǎng)度優(yōu)選為λ /4，可以使等離子體天線單元1具 有較高的輻射強(qiáng)度；介質(zhì)管2下端的外部設(shè)置激勵(lì)饋電環(huán)4是金屬圓環(huán)，其內(nèi)徑與介質(zhì)管2 的外徑相同；接地板9是圓形的金屬平板，放置在介質(zhì)管2的正下方，接地板9的半徑與介 質(zhì)管2的半徑之比優(yōu)選小于3 ；信號(hào)饋電環(huán)7是環(huán)狀的金屬片，環(huán)繞在介質(zhì)管2的底部，設(shè) 置在激勵(lì)饋電環(huán)4和接地板9之間，信號(hào)饋電環(huán)7的內(nèi)徑等于介質(zhì)管2的外徑。信號(hào)饋電 環(huán)7優(yōu)選設(shè)置在接地板9之上8-12mm，激勵(lì)饋電環(huán)4優(yōu)選設(shè)置在信號(hào)饋電環(huán)7之上3_6mm。 各個(gè)等離子體天線單元1的激勵(lì)饋電環(huán)4通過(guò)導(dǎo)線分別與各自的射頻激勵(lì)電源5相連，而 激勵(lì)控制器6用于控制各個(gè)射頻激勵(lì)電源5施加到對(duì)應(yīng)的等離子體天線單元1上的功率； 多個(gè)等離子體天線單元1的信號(hào)饋電環(huán)7通過(guò)導(dǎo)線與信號(hào)輸入端口 8相連，用于將來(lái)自信 號(hào)輸入端口 8的通信信號(hào)饋入到等離子體天線1。信號(hào)輸入端口 8用于連接信號(hào)發(fā)射機(jī)或
5者接收機(jī)。激勵(lì)饋電環(huán)4的材料為導(dǎo)電性能良好的金屬，要求能承受100W以下的激勵(lì)功率。 激勵(lì)饋電環(huán)4對(duì)惰性氣體3進(jìn)行單端激勵(lì)以產(chǎn)生表面波驅(qū)動(dòng)的等離子體柱。射頻激勵(lì)電源 5可輸出10-30MHZ的正弦波信號(hào)，其功率在100W以下連續(xù)可調(diào)。來(lái)自信號(hào)輸入端口 8的通 信信號(hào)通過(guò)信號(hào)饋電環(huán)7等幅同相地饋入陣列中的每個(gè)等離子體天線單元1上。介質(zhì)管2內(nèi)部充填的惰性氣體3被激勵(lì)饋電環(huán)4激發(fā)成為等離子體柱，成為等離 子體天線單元1的電磁波傳導(dǎo)媒質(zhì)；每個(gè)等離子體天線單元1都有一個(gè)射頻激勵(lì)電源5，其 功率由激勵(lì)控制器6控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)等離子體天線單元1的激勵(lì)功率的單獨(dú)控制；通過(guò)控 制射頻激勵(lì)電源5的激勵(lì)功率可以分別調(diào)節(jié)某些等離子體天線單元1的等離子體密度，從 而使其電導(dǎo)率變化，引起該等離子體天線單元1輻射或者接收通信信號(hào)強(qiáng)度的變化。某個(gè) 角度的等離子體天線單元輻射或者接收通信信號(hào)強(qiáng)度增大，會(huì)使得整個(gè)天線陣列的方向圖 在該角度具有比較明顯的指向性，從而使天線陣列的方向圖可以全向掃描。工作時(shí)，各個(gè)等離子體天線單元1都受到各自射頻激勵(lì)電源5的作用；用于輻射信 號(hào)時(shí)，等幅同相的通信信號(hào)從信號(hào)輸入端口 8通過(guò)信號(hào)饋電環(huán)7與等離子體天線單元1耦 合，使各個(gè)等離子體天線單元1同時(shí)輻射通信信號(hào)。如果等離子體天線陣列不工作，那么射 頻激勵(lì)電源5、激勵(lì)控制器6和信號(hào)輸入端口 8都關(guān)閉，介質(zhì)管2中的等離子體回復(fù)為惰性 氣體3，其雷達(dá)散射截面極小，從而使等離子體天線陣列具有雷達(dá)隱身性能。等離子體天線單元1的長(zhǎng)度在電長(zhǎng)度為λ/4時(shí)具有較好的輻射性能，等離子體天 線單元1的介質(zhì)管2的長(zhǎng)度被設(shè)置為λ /4。對(duì)于600MHz的工作頻率，介質(zhì)管2的長(zhǎng)度可為 125mm，從而使其中受激生成等離子體的長(zhǎng)度為125mm，即對(duì)應(yīng)電長(zhǎng)度為λ/4。各個(gè)等離子 體天線單元1在圓環(huán)上排列，其中相鄰兩個(gè)天線單元的直線距離固定，介于λ/8-λ/4，如 果天線單元數(shù)量增多，那么增加圓環(huán)半徑就可以保持相鄰兩個(gè)天線單元的直線距離固定不 變。介質(zhì)管2中充填的惰性氣體3可以選擇氬氣、氖氣、氦氣、氪氣或者氙氣，另外也可以在 其中摻入水銀蒸汽。惰性氣體3的氣體壓強(qiáng)為lOmTorr-lOTorr。激勵(lì)饋電環(huán)4和信號(hào)饋電 環(huán)7位于介質(zhì)管2的底端。等離子體天線陣列用于輻射時(shí)，所有介質(zhì)管2中的惰性氣體3都被激勵(lì)饋電環(huán)4 電離為等離子體，形成等離子體天線單元1。通信信號(hào)從信號(hào)輸入端口 8輸入到信號(hào)饋電環(huán) 7并且饋入等離子體天線單元1。通過(guò)調(diào)整各個(gè)等離子體天線單元1上的射頻激勵(lì)功率，可 以使其中的等離子體密度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電導(dǎo)率也隨之改變。等離子體的等效電導(dǎo) 率σρ為
權(quán)利要求
一種具有全向掃描功能的陣列等離子體天線，其特征在于包括多個(gè)工作于表面波模式的等離子體天線單元，多個(gè)等離子體天線單元在同一圓環(huán)上等間距地排列分布，相鄰兩個(gè)等離子體天線單元的距離為λ/8 λ/4，其中λ＝c/f，光速c＝3×108m/s，f為等離子體天線陣列的工作頻率；所述等離子體天線單元包括介質(zhì)管、惰性氣體、激勵(lì)饋電環(huán)、信號(hào)饋電環(huán)和接地板；介質(zhì)管是中空的圓柱管，其中封裝了惰性氣體；介質(zhì)管下端的外部設(shè)置激勵(lì)饋電環(huán)，激勵(lì)饋電環(huán)是金屬圓環(huán)；接地板是圓形的金屬平板，放置在介質(zhì)管的正下方；信號(hào)饋電環(huán)是環(huán)狀的金屬片，環(huán)繞在介質(zhì)管的底部，設(shè)置在激勵(lì)饋電環(huán)和接地板之間；各個(gè)等離子體天線單元的激勵(lì)饋電環(huán)通過(guò)導(dǎo)線分別與各自的射頻激勵(lì)電源相連，而激勵(lì)控制器用于控制各個(gè)射頻激勵(lì)電源施加到對(duì)應(yīng)的等離子體天線單元上的功率；多個(gè)等離子體天線單元的信號(hào)饋電環(huán)通過(guò)導(dǎo)線與信號(hào)輸入端口相連，用于將來(lái)自信號(hào)輸入端口的等幅同相的通信信號(hào)同時(shí)饋入到等離子體天線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向掃描功能的陣列等離子體天線，其特征在于所述 激勵(lì)饋電環(huán)的材料為導(dǎo)電性能良好的金屬，能承受100W以下的激勵(lì)功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向掃描功能的陣列等離子體天線，其特征在于所述 射頻激勵(lì)電源輸出10-30MHZ的正弦波信號(hào)，其功率在100W以下連續(xù)可調(diào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向掃描功能的陣列等離子體天線，其特征在于所述 介質(zhì)管的長(zhǎng)度被設(shè)置為λ/4。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向掃描功能的陣列等離子體天線，其特征在于所述 介質(zhì)管由玻璃或者耐熱塑料制成，介質(zhì)管的厚度為0. 5mm-4mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向掃描功能的陣列等離子體天線，其特征在于所述 接地板的半徑與介質(zhì)管的半徑之比小于3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向掃描功能的陣列等離子體天線，其特征在于所述 信號(hào)饋電環(huán)設(shè)置在接地板之上8-12mm，激勵(lì)饋電環(huán)設(shè)置在信號(hào)饋電環(huán)之上3_6mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向掃描功能的陣列等離子體天線，其特征在于所述 惰性氣體選擇氬氣、氖氣、氦氣、氪氣或氙氣；惰性氣體的壓強(qiáng)為lOmTorr-lOTorr。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有全向掃描功能的陣列等離子體天線，其特征在于所述 惰性氣體中摻入水銀蒸汽。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由多個(gè)等離子體天線單元同時(shí)工作構(gòu)成的等離子體天線陣列，其輻射方向圖的指向可以在等離子體天線單元分布的平面上全向掃描。各個(gè)等離子體天線單元上的信號(hào)饋電環(huán)將相同相位和幅度的通信信號(hào)饋入到等離子體天線上。對(duì)需要產(chǎn)生較強(qiáng)輻射的方向上的等離子體天線單元，施加較高的激勵(lì)功率以產(chǎn)生較高密度和較高電導(dǎo)率的等離子體。具有較高電導(dǎo)率的這個(gè)等離子體天線單元的輻射信號(hào)相比其他天線單元強(qiáng)，這樣等離子體天線陣列就能在需要的方向上產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射，從而使天線陣列的方向圖全向掃描。特點(diǎn)在于，多個(gè)等離子體天線排列成陣列同時(shí)工作，天線陣列不僅具有高的增益和方向性，而且具有更好的方向圖可重構(gòu)性。
文檔編號(hào)H01Q21/00GK101938035SQ201010228468
公開(kāi)日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月15日
發(fā)明者周雙, 李學(xué)識(shí), 胡斌杰 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)