基于等离子体的定向天线阵理论与实验研究

当前国内学者对等离子体天线的研究主要集中于柱状天线和反射面天线, 而在国外已有学者以等离子体阵列结构设计了功能多样的智能天线系统. 为了较系统地了解这一新的设计思路, 基于等离子体散射理论对中心单元激励的圆形定向天线阵进行了理论和实验研究. 设计了一个16元等离子体无源振子的圆形天线阵, 实现了天线电磁波单波束和多波束的定向辐射. 通过理论计算和分析, 阐述了天线电磁波单波束和多波束辐射的原理. 通过建立实验系统, 测试了圆形天线阵的定向辐射特性. 实验结果和理论值接近, 说明该等离子体圆形天线阵可以实现天线电磁波的定向辐射和多波束辐射. 另外, 该天线阵还具有快速切换辐射方向、参数快速重构、雷达隐身性良好的优点. 关键词： 等离子体 定向天线阵 单波束 多波束     

表面波等离子体源的发展现状

对微波放电产生的平板型表面波等离子体源进行了系统介绍,分析了表面波等离子体的工作原理, 探讨了维持表面波等离子体放电的能量吸收机制,介绍了由单模谐振腔阵列、 亚波长衍射光栅及开槽天线阵列组成的新型波模转换器.表面波等离子体的产生机理、实现途径、 参数特性和数值仿真等方面的研究进展及其所取得的成果,有利于促进新型表面波等离子体源走向产业化应用, 并促使微电子产业的功效取得新的突破.     

装置参数对狭缝天线激发的等离子体表面波传播的影响

采用时域有限差分法对矩形结构装置的等离子体表面波传播进行了三维数值模拟.研究了装置参数(如介质板相对介电常数、厚度以及介质板上方空气间隙)对天线阵列激发的等离子体表面波传播的影响,给出了合适的介质板相对介电常数和厚度,并指出空气间隙的存在会严重削弱天线阵列对表面波的激发.计算结果可为大面积矩形表面波等离子体源装置的优化设计提供参考. 关键词： 时域有限差分法 等离子体表面波 狭缝天线     

大面积表面波等离子体的特性研究

介绍一种矩形反应腔体结构的表面波等离子体源，通过对垫层介质及天线结构的优化设计，产生了大面积均匀的等离子体.采用静电探针测量了等离子体参数(密度，电子温度)在不同运行条件(气压，功率)下的空间分布；采用扩散模型，数值模拟了等离子体密度在垂直方向上的空间分布，并比较好地解释了实验测量结果. 关键词： 表面波等离子体 狭缝天线 数值模拟 探针测量     

大面积表面波等离子体源微波功率吸收的数值模拟研究

建立了大面积矩形表面波等离子体(SWP)源全尺寸的三维模型,用数值模拟的方法研究了SWP源基于碰撞的功率吸收问题,给出了随等离子体参数变化的微波反射率曲线,分析了不同天线对微波功率沉积的影响,并讨论了微波功率吸收和表面波的定性关系. 结果发现,均匀放电的SWP源功率沉积本质是由表面波等离子体的性质决定的,等离子体密度太大或太小都不利于功率吸收. 在正常工作气压下,SWP源通过碰撞机理即可以实现微波功率的有效沉积,微波吸收率可达80%以上,与已有实验相符. 本研究同时发现,天线阵列激发的表面波模式越紧凑,强度越大,越有利于微波的吸收. 关键词： 时域有限差分法 等离子体表面波 功率吸收 狭缝天线     

介质加载天线阵的瞬态辐射特性

 提高天线增益和辐射效率是瞬态天线研究的重要内容之一。通过设定高斯脉冲激励波形,导出了瞬态辐射的能量阵列因子,分析了1维对称均匀天线阵列的瞬态辐射特性。结果表明:阵列的辐射波形与观察时间区间和角度有关,瞬态与稳态特性差异明显,时域辐射方向图与脉冲宽度有关,阵列可实现时域波束扫描。设计了介质加载天线阵,并采用3维电磁场分析软件进行了时域仿真计算,分析了介质加载对天线辐射特性的影响。研究表明:有介质加载的天线前向辐射电场峰值比没有介质加载的天线增加逾1倍,即瞬态辐射功率增大了3倍多,通过对计算和仿真结果的分析比较,验证了分析和设计方法的正确性和有效性。     

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。     

一种准光反射聚焦微波放电大气等离子体装置

设计了一种准光反射聚焦方式的微波放电大气等离子体实验装置,装置包括大气环境模拟室和微波辐射聚焦系统。辐射微波在腔室中心形成kV/cm量级的非均匀强场,击穿大气产生等离子体。通过仿真计算了腔室内的空间辐射场分布,并利用小信号传递的方式进行测量,测量结果与仿真相符,形成的等离子体形态与辐射场分布强弱一致。电磁场在聚焦区域形成驻波,等离子体出现明显分层现象。实验通过拍照记录了不同参数条件下的等离子体图样,等离子体形态随气压升高而收缩,放电区域受场强和气压共同影响。对实验结果进行分析,验证了该装置的能力。     

等离子体天线开启时间光电时差测量法

将发射光谱信号引入到辉光放电等离子体天线开启时间测量当中,根据等离子体光信号与激励电压信号的时间差测出辉光等离子体天线的开启时间。结果发现该方法可有效测量直流和频率较高的交流辉光等离子体天线开启时间。直流和kHz级交流等离子体天线开启时间约为在1 ms,MHz级交流等离子体天线开启时间在0.5 ms左右。而对于50 Hz低频交流等离子体天线,由于放电状态不稳定,测量误差较大。天线的开启时间与激励电源的功率和电源的响应时间有很大关系。在一定范围内,随放电功率增加,天线的开启时间缩短。同时放电功率的增加也增大了天线开启时间测量结果的可重复性,误差减小,为1%~2%。     

等离子体天线输入阻抗测量及分析

通过矢量网络分析仪测量了不同激励功率条件下柱形等离子体天线系统的输入阻抗随频率的变化关系,实验结果表明柱形等离子体天线输入阻抗具有明显的谐振特性.结合放电管的等效电路模型与柱形等离子体天线输入电流特性,定性分析了等离子体天线输入阻抗变化与等离子体参数之间的关系.此种测量方法有助于等离子体天线动态重构特性的研究和实现快速阻抗匹配. 关键词： 等离子体天线 输入阻抗 表面波     

A numerical simulation of surface wave excitation in a rectangular planar-type plasma source

The principle of surface wave plasma discharge in a rectangular cavity is introduced simply based on surface plasmon polariton theory. The distribution of surface-wave electric field at the interface of the plasma-dielectric slab is investigated by using the three-dimensional finite-difference time-domain method (3D-FDTD) with different slot-antenna structures. And the experimental image of discharge with a novel slot antenna array and the simulation of the electric field with this slot antenna array are both displayed. Combined with the distribution of surface wave excitation and experimental results, the numerical simulation performed by using 3D-FDTD is shown to be a useful tool in the computer-aided antenna design for large area planar-type surface-wave plasma sources.     

波导缝隙阵列天线高功率微波应用探索

设计了一种波导窄边缝隙天线阵,其微波传输工作于行波状态,绝大部分能量被缝隙耦合辐射,其余能量被匹配负载吸收。通过等效电路的方法,使得各个缝隙达到均匀辐射,从而具备可拓展组阵能力,此外通过设计移相结构改变相位差,实现方位角方向的波束扫描。该缝隙天线工作在行波状态,避免了电场集中现象的出现,且工作于真空环境,具有较高的功率容量。     

Theoretical study of two-element array of equilateral triangular patch microstrip antenna on ferrite substrate

The radiation characteristics of a two-element array of equilateral triangular patch microstrip antenna on a ferrite substrate are studied theoretically by considering the presence of bias magnetic field in the direction of propagation of electromagnetic waves. It is found that the natural modes of propagation in the direction of magnetic field are left- and right-circularly polarized waves and these modes have different propagation constants. In loss-less isotropic warm plasma, this array antenna geometry excites both electromagnetic (EM) and electroacoustic plasma (P) waves in addition to a nonradiating surface wave. In the absence of an external magnetic field, the EM- and P-waves can be decoupled into two independent modes, the electroacoustic mode is longitudinal while the electromagnetic mode is transverse. The far-zone EM-mode and P-mode radiation fields are derived using vector wave function techniques and pattern multiplication approaches. The results are obtained in both plasma medium and free space. Some important antenna parameters such as radiation conductance, directivity and quality factor are plotted for different values of plasma-to-source frequency.     

W波段基片集成波导缝隙阵天线的研究

介绍了一种低成本高效率的W波段4×4基片集成波导(SIW)缝隙阵天线。天线阵为双层结构,上层为辐射层,采用宽边纵向偏移缝隙驻波阵,可以实现高的辐射功率,下层为馈电层,采用SIW串联缝隙馈电方式,减小了传统功分网络带来的传输损耗和实现难度。对天线阵进行了优化设计,采用标准低成本PCB工艺制作了天线阵实物样品并进行测试。测试结果与仿真结果吻合较好,天线阵在94 GHz时,最大增益为16.8 dB,反射系数-30.1 dB,-10 dB带宽为92.6~96 GHz,副瓣电平19.5 dB,天线阵口径效率为83%。     

Experimental Study of a Slot Antenna Excited by a TE011 Mode Coaxial Cavity

A slot antenna is developed to excite the high harmonic waveguide mode for generating large-area plasmas. This antenna consists of a TE₀₁₁ mode coaxial cavity with the axial slots positioned on equal interval on the inner wall. The waves radiated from those slots can excite the high harmonic mode in the central area. With the azimuthal symmetric wave field of the TE₀₁₁ mode, the number of the slots can be chosen to match the field pattern of the high harmonic mode. In this report, the dispersion relation of the coaxial waveguide, the coupling scheme and the mode competition of the cavity are studied. A method has been successfully developed to suppress the TE₁₂₁ mode which is the most competing mode to the TE₀₁₁ mode.     

高功率微波行波阵列纵向宽角扫描特性

利用机械调节波导宽边尺寸可变化波导波长,从而实现变频波束扫描相同的效果,针对窄边辐射波导行波阵的波束扫描特性进行了分析,以实现宽角波束扫描为目标,着重分析了不同辐射缝隙间距下变化宽边所能得到的最大波束扫描范围。设计了通过变化宽边尺寸实现宽角扫描的X波段窄边辐射波导缝隙阵,设计波束扫描范围指向波导馈入端,避开阵列法向辐射(此方向辐射效率较低),实现了29°的连续波束扫描范围,在波束扫描范畴内增益下降小于3 dB,辐射效率大于62%;设计缝隙宽度3 mm, 波导长度约1 m(缝隙数40),单根波导缝隙天线可实现高功率微波功率容量70 MW。     

Real-time programmable coding metasurface antenna for multibeam switching and scanning

Novel electromagnetic wave modulation by programmable dynamic metasurface promotes the device design freedom, while multibeam antennas have sparked tremendous interest in wireless communications. A programmable coding antenna based on active metasurface elements (AMSEs) is proposed in this study, allowing scanning and state switching of multiple beams in real time. To obtain the planar array phase distribution in quick response, the aperture field superposition and discretization procedures are investigated. Without the need for a massive algorithm or elaborate design, this electronically controlled antenna with integrated radiation and phase-shift functions can flexibly manipulate the scattering state of multiple beams under field-programmable gate array (FPGA) control. Simulation and experimental results show that the multiple directional beams dynamically generated in the metasurface upper half space have good radiation performance, with the main lobe directions closely matching the predesigned angles. This metasurface antenna has great potential for future applications in multitarget radar, satellite navigation, and reconfigurable intelligent metasurfaces.     

Two-element dielectric antenna serially excited by optical wavelength multiplexing

A single pulsed laser beam containing multiple wavelengths (wavelength multiplexing) is employed to activate two semiconductor antennas in series. The dielectric nature of the semiconductors permits serial cascading of the antenna elements. Recently observed nonlinear characteristics of the radiated field as a function of the free carrier accelerating (bias) voltage are used to minimize the small interactions between elements. We demonstrate that the temporal electromagnetic radiation distribution of two serial antennas is sensitive to the three-dimensional pattern of the optical excitation source. One can, in turn, vary this distribution continuously by optical means to reconfigure the array.     

一种波束扫描超材料天线的设计

设计了一种结合正方形和八边形环的波束扫描超材料平面反射阵列天线。相比于传统的阵列天线设计,运用了新的相位补偿方法,即通过组合反射阵列单元在介质基板的材料不同时得到的相位曲线实现0~360°的相位补偿,使得阵列单元的相位曲线不需要完全覆盖0~360°,并且采用埃尔米特插值的方式解决相位特性曲线线性度差的问题。该方法的优势是具有广泛适应性,降低了对阵列单元的设计要求。利用这种方法设计了几款单层平面反射阵列天线,仿真结果显示反射波束方向与预期设定值相符合,且副瓣与主瓣都相差至少15 dB。通过调节超材料固态等离子体激励区域的范围即改变阵列单元的谐振结构,实现了空间波束扫描,为平面反射阵列天线的设计提供了一种新思路。