表面波激勵等離子天線(xiàn)輻射方向圖重構方法研究
基于Boltzmann方程和天線(xiàn)理論建立了表面波激勵等離子天線(xiàn)輻射方向圖重構模型。研究了等離子天線(xiàn)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(xiàn)輻射方向圖的影響。搭建了表面波激勵等離子天線(xiàn)試驗系統，采用旋轉天線(xiàn)測量法對等離子天線(xiàn)陣的輻射方向圖進(jìn)行了測量。仿真及實(shí)驗結果表明：等離子天線(xiàn)輻射方向圖重構模型可以用于等離子天線(xiàn)方向圖重構特性的研究與分析，表面波激勵等離子天線(xiàn)能夠在外界激勵信號的控制下實(shí)現輻射方向圖的動(dòng)態(tài)重構。
等離子天線(xiàn)(PlasmaAntenna)是用電離的惰性氣體代替金屬作為電磁輻射導向媒質(zhì)的射頻天線(xiàn)。等離子天線(xiàn)可以通過(guò)動(dòng)態(tài)的激發(fā)等離子體來(lái)調整等離子體電參數，從而導致天線(xiàn)的方向圖、帶寬、增益等性能在較寬范圍內動(dòng)態(tài)改變。相比于傳統金屬天線(xiàn)陣列，等離子天線(xiàn)可以通過(guò)電控高速地進(jìn)行輻射方向圖掃描。因此，等離子體天線(xiàn)具有靈活的可重構性能和快速的動(dòng)態(tài)調整能力。
等離子天線(xiàn)獨特的可重構性能使其逐漸成為國內外學(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(xiàn)作為通信天線(xiàn)使用，并且其表面電流分布能夠通過(guò)等離子體密度來(lái)控制。JohnPhillipRayner等建立了等離子天線(xiàn)理論模型，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗，研究了等離子天線(xiàn)的電導率對等離子天線(xiàn)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的空間進(jìn)化過(guò)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。
國內學(xué)者從20世紀90年代開(kāi)始對等離子體天線(xiàn)研究。趙國偉等參照金屬天線(xiàn)理論，應用數值計算的方法在簡(jiǎn)化條件下計算了等離子體行、駐波條件下等離子天線(xiàn)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(xiàn)表面電流分布、輻射方向圖、輸入阻抗等天線(xiàn)參數，證明了等離子天線(xiàn)具有與金屬天線(xiàn)類(lèi)似的輻射特性，并且可以實(shí)現天線(xiàn)性能的動(dòng)態(tài)重構。李學(xué)識建立了非磁化等離子體天線(xiàn)分析的直接積分運用時(shí)域有限差分法(DI-FDTD)數值模型和磁化等離子天線(xiàn)分析的分段線(xiàn)性卷積FDTD模型，研究了等離子天線(xiàn)陣列的方向圖的可重構性。錢(qián)志華運用時(shí)域有限差分法和矩量法等數值模擬方法從理論上研究二維圓柱體等離子體天線(xiàn)的輻射與散射特性。
本文采用軟件仿真與實(shí)驗驗證相結合的方法對等離子天線(xiàn)方向圖的可重構性能進(jìn)行研究。建立等離子天線(xiàn)方向圖重構模型，對等離子天線(xiàn)輻射方向圖的重構特性進(jìn)行仿真研究。搭建了基于單極表面波激勵的等離子天線(xiàn)實(shí)驗系統，對重構模型的正確性進(jìn)行驗證。
1、等離子天線(xiàn)輻射方向圖重構模型
電磁波在介質(zhì)中傳播的相位為U(t)=Xt+Bz+U0，其中Xt項表示相位以角頻率X隨時(shí)間t線(xiàn)性變化，稱(chēng)為時(shí)間相位；Bz項表示相位隨空間坐標z線(xiàn)性變化，稱(chēng)為空間相位，B為相位常數，表示單位距離內相位的變化量；U0項為z=0處在t=0時(shí)刻的初始相位。相控陣雷達的實(shí)質(zhì)是改變饋入信號的初始相位U0，進(jìn)而達到改變U(t)的目的。本文著(zhù)手于通過(guò)改變信號的相位常數B來(lái)改變信號的空間相位Bz，進(jìn)而達到改變U(t)的目的，最終實(shí)現輻射方向圖的重構。等離子天線(xiàn)輻射方向圖重構原理框圖如1所示。
圖1 等離子天線(xiàn)輻射方向圖重構原理框圖
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與波矢量之間的關(guān)系；根據天線(xiàn)理論，建立起波矢量與方向性函數之間的關(guān)系，最終建立起等離子天線(xiàn)輻射方向圖重構模型。
4、結論
本文通過(guò)仿真和實(shí)驗方法對等離子天線(xiàn)輻射方向圖動(dòng)態(tài)重構進(jìn)行了研究，結論如下：
(1)對等離子天線(xiàn)輻射方向圖重構模型進(jìn)行了仿真，仿真結果表明：通過(guò)改變外界激勵功率可以改變等離子體的介電常數、電導率、磁導率等電參數，這些電參數的改變導致電磁波在等離子體中傳播的相位常數發(fā)生改變，從而使得等離子天線(xiàn)表面電流分布發(fā)生改變，最終使得等離子天線(xiàn)輻射方向圖發(fā)生了變化，這說(shuō)明等離子天線(xiàn)輻射方向圖動(dòng)態(tài)重構存在可行性。
(2)基于單極表面波激勵等離子天線(xiàn)實(shí)驗系統進(jìn)行了實(shí)驗，一方面證明了等離子天線(xiàn)輻射方向圖重構模型的正確性，另一方面也證實(shí)了通過(guò)控制外界激勵信號可以實(shí)現等離子天線(xiàn)輻射方向圖的動(dòng)態(tài)重構。
