等离子鞭天线仿真分析

1 引言

等离子体天线是一种将等离子体作为电磁辐射导向媒质的射频天线 。传统金属天线，尤其是天线阵列，重量和体积都相对较大，设计制作不灵活，天线的尺寸与其辐射效率密切相关，自重构性和适应性较差。等离子密度可调，等离子体天线长度可调，可以对天线性能进行较为灵活的控制。另外，等离子体天线在没有激发的状态下,雷达散射截面可以忽略不计，而天线仅在通信发送或接收的短时间内激发,提高了天线的隐蔽性;

利用改变离子密度来改变天线的瞬时带宽,且具有大的动态范围;等离子体谐振、阻抗以及电子密度均可重新调整，电离气体天线单元可以构造并组合成一个频率、波束宽度、功率、增益和方向性动态可调的序列,这些性质可广泛的应用于军事领域。因此，等离子体天线有着重要意义。金属天线与等离子体天线的相似性。本文通过CST仿真研究等离子体天线的结构参数，等离子体特性参数与天线电特性的关系，仿真结果可为设计等离子体天线提供有益的参考。

2 等离子天线的基本原理

等离子体是由大量的正离子与自由电子组成的集合体，宏观上近似呈电中性，且电离离子密度颇高，其运动主要受电磁力强弱的支配，并呈现出显著的群体行为。在普通的气体中，电离度达到0.1%，就已具有较为明显的等离子体特性。电离度达到1%时，就能达到与良导体类似的电导率。

等离子体的产生方式可分为：直流放电，高频放电和微波放电[6]。实验表明，只用直流偏压就可在管内快速地实现等离子体的形成和猝灭,从而实现天线的开关。当等离子体猝灭、天线关闭时,管内气体不具有传导性,从而对其它天线的方向图不会产生影响;当等离子体形成天线工作时,等离子体是电的良导体，可以用来传递无线电信号。

非磁化等离子体的特性参数可用如下几个式子来表达：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中P—工作气压: P = nkT，,k —玻耳兹曼常数。;ω —传输频率;ωp—等离子特征频率;ν —等离子体碰撞频率;ne—等离子体密度(cm-3);fpe—等离子体频率。由上述表达式中可看出，等离子体电特性主要由等离子体频率fpe和等离子体碰撞频率ν决定。

3 等离子体参数对天线特性的影响

图1为同轴线馈电等离子体天线的模型，天线主要结构为被一层玻璃管罩住的等离子体柱。玻璃管厚度d=2mm，等离子体半径a=5mm，等离子体长度L=160mm。仿真中设定等离子体在管内均匀。

图1 同轴线馈电的等离子体鞭天线模型

3.1 等离子碰撞频率对天线性能的影响

维持等离子体频率fp=900GHz不变，等离子体碰撞频率ν取5MHz，5GHz，10GHz。

图2 碰撞频率

=10GHz，5GHz，5MHz的|S11|图

图3 碰撞频率

对天线增益的影响

|S11|结果列于图2中，第一谐振频率f0=0.56GHz，碰撞频率ν变化对谐振频率取值没有影响，但随着碰撞频率ν减小，谐振深度增大。这说明碰撞频率ν越大，损耗越大。fp=900GHz，碰撞频率ν取5MHz、2GHz、4GHz、6GHz、8GHz、10GHz。在第一谐振频率下的天线增益结果列于图3，碰撞频率ν增大，等离子体鞭天线增益减小，辐射特性下降。说明等离子体碰撞频率越小，损耗越小，天线辐射性能越好。[!--empirenews.page--]

3.2 等离子体角频率对天线性能的影响

维持等离子体碰撞频率ν=5MHz不变，取等离子体频率fp=900GHz、600GHz、300GHz，|S11|结果列于图4中，第一谐振频率分别为0.56GHz、0.50GHz、0.39GHz。等离子体频率fp越大，第一谐振频率越大，谐振深度略微减小。这说明等离子体频率fp减小，导致天线电长度减小，从而第一谐振频率增大。

等离子体频率fp=900GHz、700GHz、500GHz、300GHz、100GHz。在第一谐振频率下的天线增益结果列于图5，等离子体频率fp增大，等离子体鞭天线增益也增大。天线辐射特性增强。

图4 fp=900GHz，600GHz，300GHz对应的|S11|图

图5 等离子体角频率对天线增益的影响

4 同轴线馈电等离子体天线与金属天线辐射特性对比

相同结构尺寸，把同轴线馈电等离子体天线模型中的等离子体材料换成有耗金属，即可得到相同模型的等离子体天线与金属天线的辐射特性对比结果。这里等离子体的参数取值为：等离子体频率fp=900GHz，等离子体碰撞频率ν=5MHz。有耗金属电导率取106S/m。

图6 等离子体和有耗金属对应的|S11|图

两种天线的|S11|结果列于图6中，对于各个谐振频点总体来说，等离子体天线比金属天线谐振频率小。说明物理长度相同的情况下，等离子体天线的电长度更大。它们的第一谐振频率近似相同，分别为0.56GHz，0.59GHz。等离子体鞭天线的第一谐振频率深度更大。由第一谐振频率下两天线的辐射方向图知，两种天线的E面，H面辐射图完全重合。且在第一谐振频率处，金属鞭天线效率93.7%，增益为1.99dB;等离子体鞭天线效率96.1%，增益为1.86dB。说明等离子体天线完全可以达到与金属天线相似的辐射特性，可以替代金属天线。考虑到等离子体天线独有的隐身特性，可重构性等显著特征，等离子体天线将大有可为。

5 等离子体长度对天线辐射特性的影响

等离子体频率取值fp=900GHz，等离子体碰撞频率取值v=5MHz。如图7所示，第一谐振频率f与等离子体长度倒数1/L(1/mm)之间有着近似的线性关系，可得斜率k近似值为84，得到关系式f=84/L (GHz)。若金属天线的长度L=l/4，则第一谐振频率f=c/4L。可见，等离子体天线和金属天线都存在这种线性关系。

图7 第一谐振频率f与等离子体长度倒数1/L的关系

仿真结果表明，在等离子体半径r范围是2mm~6mm，天线增益随半径增大而增大，当等离子体半径r变化范围为1mm~9mm，玻璃管厚度d变化范围为1mm~5mm，第一谐振频率几乎不变。

6 结论

本文首先讨论了等离子体参数­——等离子体频率和等离子体碰撞频率对天线辐射特性的影响，结论为天线增益随等离子体频率的增大而增大，随碰撞频率增大而减小。等离子体频率和碰撞频率变化对天线第一谐振频率和方向性都没有太大影响。在等离子体频率较大(900GHz)和等离子体碰撞频率取值较小(5MHz)时，等离子体天线与金属天线辐射特性相似。接下来讨论了等离子体长度与天线第一谐振频率的关系，并给出了第一谐振频率f与等离子体长度表达式，这种性质与金属天线类似。