磁窗减缓等离子体对天线性能的影响

飞行器以高超声速再入大气层返回地球时,飞行器周围形成等离子体鞘套,等离子体会影响电磁波的传播特性,严重时通信甚至完全中断。从理论上分析了外加磁场时电磁波与等离子体的相互作用机理,提出了利用永磁体和螺旋天线一体式的设计方式,即磁窗天线,并研究了在等离子体环境中螺旋天线和磁窗天线的性能,仿真结果表明,利用永磁体和螺旋天线一体式设计的磁窗天线,可以减弱等离子体对天线性能的影响,这为解决飞行器再入通信中断问题提供了一种有效途径。     

外加电磁窗减缓再入飞行器的通信中断

为解决再入过程中的黑障问题,在前期磁窗天线增强等离子体透波特性研究基础上,开展了外加电磁窗影响研究,磁体为钕铁硼,外加电压为100 V。利用不同飞行高度下的流场数据,对不加电磁场、外加磁场和外加正交电场与磁场影响下的流场进行数值模拟,对比不同参数设置下天线窗口处的电子密度和电磁波衰减常数,分析了再入飞行器的飞行高度、天线窗位置、电磁波频率、电子密度和碰撞频率等参数对电磁窗天线性能的影响。从分析结果可以看出,外加正交电场与磁场对于减缓再入过程中黑障的效果优于仅外加磁场,通过合理选择电磁窗的工作状态和参数可以改变等离子体的分布特性和介电参数,能够有效地增强电磁波在等离子体鞘套中的传输,为解决和减缓通信中断问题提供了一种可能的途径。     

等离子体鞘层中电磁传输特性的数值仿真和实验验证

采用Z变换时域有限差分(Z-FDTD)数值模拟方法,研究了电磁波在非均匀等离子体中的传输特性。在此基础上,对L波段(1.575GHz)电磁波,在等离子峰值密度为1011/cm3且沿径向呈Bessel函数分布的柱形等离子体源下,进行了2,4,6,8,10cm厚度下的传输特性实验,得到电磁波衰减分别为9,15.8,24.9,36.4,45.5dB,并与仿真结果对比,吻合良好。     

L/S/C/X四频高隔离共口径微带天线设计

首次设计实现了一款能同时工作在L/S/C/X四个频段的高隔离共口径低剖面微带天线。整体结构通过依次按照频率从低至高的顺序自下而上将4个频段的微带天线堆叠而成,采用同轴探针穿过低频辐射贴片形成过孔给高频天线馈电,同时将低频天线作为其上层高频天线的地,以提高天线指标与性能。其中L/S/C波段的辐射贴片采用在矩形辐射贴片四周添加枝节的方式,更利于阻抗调节;X波段置于最顶层,通过对矩形贴片进行开槽处理,避免了对其它频段的辐射遮挡;通过采用中和线去耦合及正交馈电的方法,最终实现了4个频段内增益分别为6.85,7.48,6.13,6.62 dBi;各端口之间隔离均大于30 dB;天线尺寸为85 mm×85 mm×9.07 mm;通过实物加工,测试与仿真结果吻合良好,验证了设计的有效性和可靠性。     

基于缺陷接地结构的太赫兹双频微带天线

提出了一种工作在太赫兹频段的双频微带天线。在普通矩形微带天线的基础上,在辐射贴片上加载45°和135°的矩形贴片增大辐射面积,增大高频谐振点处阻抗带宽。通过引入缺陷接地结构使得天线在接地板处的电流路径改变,并与辐射贴片相互耦合,从而实现双频特性。为提高天线增益,在辐射贴片边缘加载若干寄生矩形贴片,并增加了寄生贴片处的基板厚度。该款天线可以同时在520 GHz(508~532 GHz)和680 GHz(581~766 GHz)的频段下工作,其中高频段的相对带宽达到了27.5%,最大增益达到了3.54 dB和4.11 dB。该双频天线结构相对简单,各项性能指标稳定,对于工作在太赫兹频段上的通信系统和无线传输系统具有一定的应用价值。     

L波段高功率波导缝隙阵设计与数值模拟

设计了一种基于宽边纵缝驻波阵的高功率射频微波辐射系统,系统由四路矩形波导以及聚四氟乙烯天线窗组成。天线内采用真空绝缘实现天线高功率容量,天线窗真空侧采用周期刻三角槽技术抑制高功率微波介质表面击穿。在波导缝隙阵与天线窗之间设计支撑板,除支撑天线窗外还可抑制表面波电流。采用HFSS数值模拟软件对辐射系统进行了优化设计。数值模拟结果表明,设计的辐射系统在频率为1.575 GHz时,增益为22.7 dBi,天线口径效率为98.3%,反射系数为-25 dB,带宽达到5%,带宽内天线增益波动小于等于0.4 dB、天线口径效率大于等于98%、主瓣指向偏差小于等于1.2。系统功率容量达到1.92 GW。     

高功率光隔离器永磁系统的理论研究与优化

基于Halbach阵列永磁体的特点以及光隔离器对磁场的需求,设计了两种适用于高功率隔离器的永磁系统,分析了其磁场分布、磁场非均匀性对隔离度的影响,研究了磁体装配误差对磁场的影响。研究结果表明:通过引入斜向磁化永磁体,选择合适的磁化角度和磁体长度,可以提高永磁体的磁场强度,大幅度减小旋转器所需磁光晶体长度;受磁场非均匀性影响的隔离度与磁光晶体的孔径、长度以及入射激光的光斑半径有关,当晶体长度一定时,减小晶体半径和入射光的半径可以显著提高隔离度。在入射光半径为1.5mm、磁光晶体半径5mm时,对应的隔离度分别为105.8dB和45.4dB。     

新型无线局域网双频段微带贴片天线设计

 新型无线局域网双频段微带贴片天线采用50 Ω微带线进行馈电,采用在贴片切槽设计方式,实现了微带天线在双频段工作的要求。其中心工作频率分别为2.44 GHz和5.20 GHz,相应的工作带宽分别达到了200 MHz和1.20 GHz。该天线具有小尺寸、结构简单、制作简单,低成本和在各工作频点处具有良好的方向性等优点,而且只需简单修改辐射贴片上的缝隙尺寸参数,就可以实现对天线高频段和低频段的调节。     

磁化分层等离子体中电磁波传播特性研究

采用混合矩阵法,分析了磁化分层等离子鞘套对斜入射电磁波传播特性的影响,分别计算了不同入射角以及外加磁场下电磁波透射系数和极化特性的变化。以GPS导航信号右旋圆极化波(RCP)为例,研究了磁场、电子密度对电磁波右旋圆极化特性的影响。结果表明,外加磁场能够使右旋圆极化波在等离子体中的阻带向高频方向移动,此外,外加磁场能在一定程度上改善斜入射是圆极化波的极化特性,有利于GPS信号接收。     

一种兼具宽带增益改善和宽带、宽角度低雷达散射截面的微带天线

设计并制备了一种兼具高增益和低雷达散射截面(radar cross section, RCS)的微带天线, 通过给原始微带天线加载双屏频率选择表面(frequency selective surface, FSS)覆层, 使其具有宽带的3 dB增益带宽和宽带、宽角度的低RCS特性. 该FSS单元的上层是四个开口处都焊有电阻的金属环结构, 下层是中间和四边都开缝的金属贴片结构. 上层加载的电阻主要用于吸收雷达入射波, 减缩天线RCS; 下层的贴片和天线地板构成Fabry-Perot谐振腔, 提高天线增益. 在5.75–11.37 GHz频带内, S₂₂<-10 dB, S₁₂<-10 dB; 在11.21–11.54 GHz频带内, S₁₁反射系数相位曲线斜率为正, 幅度模值均在0.86以上. 实验结果表明: 与原始天线相比, 在谐振频点11.73 GHz处, 天线增益提高3.4 dB, E, H面的半功率波束宽度分别减小16°和50°; 天线的3 dB增益带宽为10.00–12.40 GHz, 完全覆盖阻抗带宽. 在4.10–11.30 GHz 频带内, 天线法向RCS均有3 dB以上的减缩, 最大减缩23.08 dB; 4.95 GHz处的单站RCS在-20°–20°的角域、双站RCS 在-37°–37°的角域均有3 dB以上的减缩. 实验结果证实了该FSS覆层可用于同时改善天线的辐射和散射 性能. 关键词： 频率选择表面 低雷达散射截面 高增益 宽带     

基于超材料吸波体的低雷达散射截面微带天线设计

设计了一种高吸波率、宽入射角、无表面损耗层的超材料吸波体, 并将其用于微带天线的带内雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩.实验结果表明: 设计的吸波体的厚度为0.3 mm, 吸波率达99.9%, 相比普通微带天线, 加载该吸波体后的天线在工作频带内法向RCS减缩都在3 dB以上, 最大减缩16.7 dB, 单站RCS在-30°–+30° 角域、双站RCS在-90°–+90°角域减缩超过3 dB, 且天线辐射性能保持不变. 证实了该吸波体具有良好的吸波效果, 可以应用于微带天线的带内隐身. 关键词： 超材料吸波体 微带天线 雷达散射截面     

磁瓶飞行时间谱仪用复合磁场系统设计

根据磁瓶飞行时间谱仪磁场系统的基本要求,设计了一套符合其使用的复合磁场系统.最高强度达1.2T的强非均匀磁场部分由永久磁铁和结构经过优化的截圆锥状磁极靴所产生.永久磁铁为N52系列NdFeB,磁极靴材料为高磁导率珀明德合金.强度为1.0×10-3 T的弱均匀引导磁场由半径为3 cm、长度为3m螺线管提供.磁极靴与螺线管...     

Numerical modeling of magnetic drug targeting

A special focused magnet, designed for the use in the magnetic targeted drug delivery system, was constructed. The theoretical calculation of the adhesion condition for a magnetic fluid drop in magnetic field with obtained design showed that the constructed focused magnet generates a sufficient magnetic force for the capture of a magnetic drop on the vessel wall and can be used 1.5–2 cm deeper in an organism compared with the prism permanent magnet, which can enable non-invasivity of the magnetic drug targeting procedure. The maximal values for magnetic field and gradient of magnetic field are 0.38 T and 101 T/m, respectively.     

High-gain composite microstrip patch antenna with the near-zero-refractive-index metamaterial

A high-gain rectangular microstrip patch antenna which is covered by a single layer metamaterial (MTM) superstrate with the near zero refractive index is proposed. The refraction of the metamaterial at frequency 3.51 GHz–3.57 GHz is very close to zero. The metamaterial with the near zero refractive index is placed 42 mm above an ordinary rectangular microstrip patch antenna. The effectively zero refractive index behavior of metamaterial superstrate can gather the wave emitted from the microstrip patch antenna and collimate it toward the normal direction of the antenna. The finite element method (FEM) and the finite difference time domain (FDTD) method are used to study the characteristics of this antenna. The results of the two methods indicate that the realized gain of the proposed antenna is increased by more than 6 dB, and the antenna has a flatness high gain in the predicted frequency band, where the proposed MTM is designed to have a near zero index of refraction. Therefore, the high-gain antenna is effectively enhanced based on the near-zero-refractive-index metamaterial.     

异面带状线馈电的宽带双极化蝶形天线

针对通信与雷达系统对双极化与宽带天线的要求,提出了一种基于带状线馈电的双极化蝶形天线。通过两对互相正交的蝶形阵子实现了天线的双极化,并采用一种新型的微带线转异面带状线的巴伦给两对正交蝶形阵子平衡馈电。异面带状线为平衡传输线,满足了蝶形阵子对于平衡馈电的要求。在馈电点处由同轴线对微带线馈电,经渐变微带线转化为异面带状线,最后由两组异面带状线给两对正交蝶形阵子馈电。测得该天线实现了69.23%的阻抗带宽,在6.8~14GHz频带内电压驻波比(VSWR)小于2。为使天线单向辐射且改善天线增益,将天线放置于反射吸收腔内。测得天线在6.8~18GHz的频宽内VSWR基本小于3,天线增益在8~12GHz频带内大于0.11dB,天线前后瓣比大于15dB。因此,所提出的双极化蝶形天线可用于宽带通信系统中。     

辅助永磁体厚度对单畴GdBCO超导体捕获磁场分布及其磁悬浮力的影响

研究了两种磁悬浮系统组态中圆台形辅助永磁体厚度对高温超导体捕获磁场和超导磁悬浮力的影响。结果表明,圆台形辅助永磁体的下表面和GdBCO超导体上表面同处在一个水平面上,磁化用圆台形辅助永磁体的厚度H从5 mm增加到45 mm时,超导体捕获磁场和磁悬浮力与圆台形辅助永磁体的厚度直接相关。（1）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向上且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从21.8 N增大到26.5 N,再减小到22.9 N;（2）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向下且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从20.5 N减小到11.9 N ,再增加到20.4 N;（3）两种磁悬浮系统组态中最大磁悬浮力不一致,与零场冷情况下的最大磁悬浮力14.6 N也不同。在超导磁悬浮应用系统设计中,只有科学选择辅助永磁体形状和尺寸,合理设计组合方式,才能获得较强的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性,该结果对促进高温超导体的实际应用具有重要的指导作用。     

一种粒子谱仪用高均匀性高磁通密度永磁组件

研制的永磁组件采用主辅永磁体和匀场技术相结合的改进C型磁路结构,利用计算机仿真技术对组件磁路结构进行验证及优化。仿真分析及实验结果表明:采用这种磁路结构扩大了均匀区的范围,提高了磁场均匀性。按这种结构制造的永磁组件在20 mm气隙、中心平面200 mm120 mm均匀区内气隙磁通密度达到0.75 T,不均匀度为0.67%。另外,也对永磁组件在高低温下的磁性能进行了仿真计算,结果表明:在-55~70 ℃温度范围内均匀区的气隙磁通密度变化为4%左右。