一种具有全向扫描功能的阵列等离子体天线制造技术

本发明专利技术涉及一种由多个等离子体天线单元同时工作构成的等离子体天线阵列，其辐射方向图的指向可以在等离子体天线单元分布的平面上全向扫描。各个等离子体天线单元上的信号馈电环将相同相位和幅度的通信信号馈入到等离子体天线上。对需要产生较强辐射的方向上的等离子体天线单元，施加较高的激励功率以产生较高密度和较高电导率的等离子体。具有较高电导率的这个等离子体天线单元的辐射信号相比其他天线单元强，这样等离子体天线阵列就能在需要的方向上产生较强的辐射，从而使天线阵列的方向图全向扫描。特点在于，多个等离子体天线排列成阵列同时工作，天线阵列不仅具有高的增益和方向性，而且具有更好的方向图可重构性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种等离子体天线阵列，特别是涉及全向扫描的表面波驱动等离子体 天线阵列，可以实现天线的隐身和方向图可重构功能。
技术介绍
现代移动通信系统的高速发展对通信系统天线提出了更高的要求。通信天线正在 向着频率可重构和方向图可重构的方向发展。相比传统金属天线，等离子体天线采用等离 子体代替普通金属来传导和辐射电磁波，因此具有其独特的优点首先，通过控制等离子体 参数，可以使天线的辐射方向图、效率和工作带宽等特性实现动态重构；第二，等离子体天 线在没有激发的时候是普通介质，雷达散射截面极小。第三，构成等离子体天线的气体材料 重量轻，因此它可制成便携天线；第四，等离子体天线的外部封装管如果用可塑材料制成， 那么等离子体天线物理形态可以根据需要进行弯折改变。单个等离子体天线的辐射方向图、工作带宽等特性显然能够在一定范围内进行动 态调整，但是调整的范围有限。等离子体天线阵列中的每个等离子体天线单元的辐射特性 都可以通过调整其中等离子体参数(如等离子体频率、电子碰撞频率等)来进行控制。如果 改变等离子体天线阵列中某个天线单元的等离子体参数，可以使该单元的辐射强度发生变 化，进而使得整个阵列的辐射特性变化。等离子体天线阵列中任意一个天线单元辐射特性 的变化都可以用来控制阵列的整体辐射特性，所以等离子体天线阵列的可控范围更宽。它 的特点主要在于首先在馈电信号方面，等离子体天线阵列的各个天线单元可以在同相馈 电的情况下，利用每个单元不同的等离子体参数调整和设置实现单元方向图的变化，使等 离子体天线阵列整体的辐射特性实现动态控制。第二，等离子体天线阵列单元之间的互耦 可以控制。在某个单元不工作时，可以将它的激励信号取消，那么这个等离子体柱就消失成 为介质管中的普通惰性气体，它对于阵列中其他单元没有互耦作用。第三，等离子体天线阵 列的辐射单元数量也可以动态控制。既可以使用单个等离子体天线产生全向辐射，也可以 使用多个等离子体天线单元共同作用产生可以动态扫描的辐射方向图。第四，等离子体天 线阵列中各个单元可以在不同频段工作，可以将它设计成为多频天线。等离子体材料具有 高通滤波的特性，它对高于等离子体频率的电磁波是“隐身”的。因此不同频段的各个等离 子体天线单元可以同时工作。2009年，美国专利US7474273-B1公开了一种平面等离子体面板构成的等离子体 天线阵列。该天线类似相控阵天线，包括在一个平面基板上的多个被电离气体充填的等离 子体壳，被称为等离子体平板。等离子体壳被连接到两个电极以提供驱动电压，每一个等 离子体壳都可以作为一个偶极子天线，多个等离子体壳可以排列或者连接起来形成天线阵 列。但是该专利技术仍然基于相控阵原理，即各个天线单元的馈电信号要有一定的相位差，因此 天线阵列的馈电相位控制比较复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种馈电方法简单，辐射特性快速可调，可以进行方向图 全向扫描的等离子体天线阵列。本专利技术目的通过以下技术方案实现—种具有全向扫描功能的阵列等离子体天线，包括多个工作于表面波模式的等离 子体天线单元，多个等离子体天线单元在同一圆环上等间距地排列分布，相邻两个等离子 体天线单元的距离为λ/8-λ/4，其中λ = c/f，光速c = 3X108m/s，f为等离子体天线阵 列的工作频率，即通信信号的工作频率；所述等离子体天线单元包括介质管、惰性气体、激励馈电环、信号馈电环和接地 板；介质管是中空的圆柱管，其中封装了惰性气体；介质管下端的外部设置激励馈电环，激 励馈电环是金属圆环；接地板是圆形的金属平板，放置在介质管的正下方；信号馈电环是 环状的金属片，环绕在介质管的底部，设置在激励馈电环和接地板之间；各个等离子体天线 单元的激励馈电环通过导线分别与各自的射频激励电源相连，而激励控制器用于控制各个 射频激励电源施加到对应的等离子体天线单元上的功率；多个等离子体天线单元的信号馈 电环通过导线与信号输入端口相连，用于将来自信号输入端口的等幅同相的通信信号同时 馈入到等离子体天线。为进一步实现本专利技术目的，所述激励馈电环的材料为导电性能良好的金属，能承 受100W以下的激励功率。所述射频激励电源输出10-30MHZ的正弦波信号，其功率在1 OOW以下连续可调。所述介质管的长度被设置为λ/4。所述介质管由玻璃或者耐热塑料制成，介质管的厚度为0. 5mm-4mm。所述接地板的半径与介质管的半径之比小于3。所述信号馈电环设置在接地板之上8_12mm，激励馈电环设置在信号馈电环之上 3_6mm0所述惰性气体优选选择氩气、氖气、氦气、氪气或氙气；惰性气体的压强为 IOmTorr-IOTorr。所述惰性气体中还可掺入水银蒸汽。本专利技术来自射频激励源的高功率射频信号通过激励馈电环对介质管中的惰性气 体进行激励。激励馈电环将介质管底部的惰性气体电离，激发产生的表面波继续沿着介质 管向顶端传播，使得介质管中的惰性气体被电离成为等离子体柱。同时，来自信号馈电端口 的等幅同相的通信信号通过信号馈电环施加到等离子体柱上，同样以表面波的形式传导并 且辐射出去。多个等离子体天线单元排列起来同时工作构成等离子体天线阵列。各个等离 子体天线单元在平面的圆环上等间距地排列。当等离子体天线阵列工作时，所有等离子体 天线单元都同时受到激励处于工作状态，而且每个天线单元上都同时馈入了通信信号。不 同的是，等离子体天线阵列中有部分天线单元的辐射性能比其他天线单元更强激励控制 器可以使施加在某个等离子体天线单元的激励馈电环上的功率增强，使得介质管中惰性气 体被电离的程度更高，从而使其中产生的等离子体的密度更高，因此该天线单元中的等离 子体具有更高的电导率，所以它的辐射性能比其他天线单元更强，使得整个天线阵列在这 个方向上具有较强的辐射方向性。在需要产生较强辐射的方向上，选择相应位置的等离子 体天线进行较大功率的激励，就能在该方向上产生较强的方向图指向性。所以该等离子体天线阵列的辐射方向图可以在天线单元分布的平面上进行360°的全向扫描。本专利技术与现有等离子体天线技术相比，其有益效果是等离子体天线阵列的各个 天线单元都同时被激发成为等离子体天线，而且通信信号都等幅同相地馈入到天线单元 上，所以各个天线单元是同时工作的，这样可以具有较高的辐射方向性系数。通过改变等离 子体天线单元的射频激励功率，可以灵活地对各个天线单元的等离子体电导率和辐射强度 进行动态调整，因此其辐射特性的可控性更宽、更快速。等离子体天线阵列的方向图可以指 向需要的方向，这相比单个等离子体天线只能呈现倒“8”字形的方向图具有更好的方向图 控制性，能够将辐射功率集中在需要的方向上，因此方向性系数更高。本专利技术与普通金属天线阵列相比，其有益效果是等离子体天线阵列的馈电采用 等幅同相馈电方式，这样免去了金属天线阵列对各个天线单元的馈电端口的相位控制电路 的复杂性、不稳定性和成本高特性；另外，等离子体天线阵列通过改变某个天线单元的激励 功率使其等离子体电导率变化，从而影响天线阵列的方向图指向性，这是一种电控的方向 图扫描，可以实现方向图的快速动态重构。附图说明图1是本专利技术的俯视结构图。图2是本专利技术等离子体天线单元1的结构示意图。图中示出等离子体天线单元1、介质管2、惰性气体3、激励馈电环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有全向扫描功能的阵列等离子体天线，其特征在于：包括多个工作于表面波模式的等离子体天线单元，多个等离子体天线单元在同一圆环上等间距地排列分布，相邻两个等离子体天线单元的距离为λ／８－λ／４，其中λ＝ｃ／ｆ，光速ｃ＝３×１０↑［８］ｍ／ｓ，ｆ为等离子体天线阵列的工作频率；所述等离子体天线单元包括介质管、惰性气体、激励馈电环、信号馈电环和接地板；介质管是中空的圆柱管，其中封装了惰性气体；介质管下端的外部设置激励馈电环，激励馈电环是金属圆环；接地板是圆形的金属平板，放置在介质管的正下方；信号馈电环是环状的金属片，环绕在介质管的底部，设置在激励馈电环和接地板之间；各个等离子体天线单元的激励馈电环通过导线分别与各自的射频激励电源相连，而激励控制器用于控制各个射频激励电源施加到对应的等离子体天线单元上的功率；多个等离子体天线单元的信号馈电环通过导线与信号输入端口相连，用于将来自信号输入端口的等幅同相的通信信号同时馈入到等离子体天线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡斌杰，李学识，周双，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]