表面波激勵等離子天線輻射方向圖重構(gòu)方法研究
基于Boltzmann方程和天線理論建立了表面波激勵等離子天線輻射方向圖重構(gòu)模型。研究了等離子天線的色散關(guān)系，仿真分析了等離子體密度對波矢量的影響以及折射率對等離子天線輻射方向圖的影響。搭建了表面波激勵等離子天線試驗(yàn)系統(tǒng)，采用旋轉(zhuǎn)天線測量法對等離子天線陣的輻射方向圖進(jìn)行了測量。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：等離子天線輻射方向圖重構(gòu)模型可以用于等離子天線方向圖重構(gòu)特性的研究與分析，表面波激勵等離子天線能夠在外界激勵信號的控制下實(shí)現(xiàn)輻射方向圖的動態(tài)重構(gòu)。
等離子天線(PlasmaAntenna)是用電離的惰性氣體代替金屬作為電磁輻射導(dǎo)向媒質(zhì)的射頻天線。等離子天線可以通過動態(tài)的激發(fā)等離子體來調(diào)整等離子體電參數(shù)，從而導(dǎo)致天線的方向圖、帶寬、增益等性能在較寬范圍內(nèi)動態(tài)改變。相比于傳統(tǒng)金屬天線陣列，等離子天線可以通過電控高速地進(jìn)行輻射方向圖掃描。因此，等離子體天線具有靈活的可重構(gòu)性能和快速的動態(tài)調(diào)整能力。
等離子天線獨(dú)特的可重構(gòu)性能使其逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者爭先研究的熱點(diǎn)。GerardG.Borg指出等離子柱能夠代替金屬天線作為通信天線使用，并且其表面電流分布能夠通過等離子體密度來控制。JohnPhillipRayner等建立了等離子天線理論模型，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研究了等離子天線的電導(dǎo)率對等離子天線輻射方向圖的影響。PaolaRusso建立了弱氣體電離自洽模型，描述了電子分布函數(shù)的空間進(jìn)化過程，描述了氣壓、頻率和激勵功率等是如何影響等離子體狀態(tài)的。
國內(nèi)學(xué)者從20世紀(jì)90年代開始對等離子體天線研究。趙國偉等參照金屬天線理論，應(yīng)用數(shù)值計算的方法在簡化條件下計算了等離子體行、駐波條件下等離子天線輻射方向圖，分析了等離子體密度的輻射方向圖的影響。梁志偉基于矩量法計算了密度均勻分布的柱形等離子體天線表面電流分布、輻射方向圖、輸入阻抗等天線參數(shù)，證明了等離子天線具有與金屬天線類似的輻射特性，并且可以實(shí)現(xiàn)天線性能的動態(tài)重構(gòu)。李學(xué)識建立了非磁化等離子體天線分析的直接積分運(yùn)用時域有限差分法(DI-FDTD)數(shù)值模型和磁化等離子天線分析的分段線性卷積FDTD模型，研究了等離子天線陣列的方向圖的可重構(gòu)性。錢志華運(yùn)用時域有限差分法和矩量法等數(shù)值模擬方法從理論上研究二維圓柱體等離子體天線的輻射與散射特性。
本文采用軟件仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對等離子天線方向圖的可重構(gòu)性能進(jìn)行研究。建立等離子天線方向圖重構(gòu)模型，對等離子天線輻射方向圖的重構(gòu)特性進(jìn)行仿真研究。搭建了基于單極表面波激勵的等離子天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對重構(gòu)模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。
1、等離子天線輻射方向圖重構(gòu)模型
電磁波在介質(zhì)中傳播的相位為U(t)=Xt+Bz+U0，其中Xt項(xiàng)表示相位以角頻率X隨時間t線性變化，稱為時間相位；Bz項(xiàng)表示相位隨空間坐標(biāo)z線性變化，稱為空間相位，B為相位常數(shù)，表示單位距離內(nèi)相位的變化量；U0項(xiàng)為z=0處在t=0時刻的初始相位。相控陣?yán)走_(dá)的實(shí)質(zhì)是改變饋入信號的初始相位U0，進(jìn)而達(dá)到改變U(t)的目的。本文著手于通過改變信號的相位常數(shù)B來改變信號的空間相位Bz，進(jìn)而達(dá)到改變U(t)的目的，最終實(shí)現(xiàn)輻射方向圖的重構(gòu)。等離子天線輻射方向圖重構(gòu)原理框圖如1所示。
圖1 等離子天線輻射方向圖重構(gòu)原理框圖
如圖1所示，首先，基于Boltzmann方程建立外界激勵與等離子體電參數(shù)之間的關(guān)系；然后，研究等離子體色散關(guān)系，得到等離子體電參數(shù)與波矢量之間的關(guān)系；根據(jù)天線理論，建立起波矢量與方向性函數(shù)之間的關(guān)系，最終建立起等離子天線輻射方向圖重構(gòu)模型。
4、結(jié)論
本文通過仿真和實(shí)驗(yàn)方法對等離子天線輻射方向圖動態(tài)重構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：
(1)對等離子天線輻射方向圖重構(gòu)模型進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明：通過改變外界激勵功率可以改變等離子體的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等電參數(shù)，這些電參數(shù)的改變導(dǎo)致電磁波在等離子體中傳播的相位常數(shù)發(fā)生改變，從而使得等離子天線表面電流分布發(fā)生改變，最終使得等離子天線輻射方向圖發(fā)生了變化，這說明等離子天線輻射方向圖動態(tài)重構(gòu)存在可行性。
(2)基于單極表面波激勵等離子天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，一方面證明了等離子天線輻射方向圖重構(gòu)模型的正確性，另一方面也證實(shí)了通過控制外界激勵信號可以實(shí)現(xiàn)等離子天線輻射方向圖的動態(tài)重構(gòu)。
