專利名稱：一種磁控波束可變的等離子體天線陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域的天線，尤其是一種磁控波束可變的等離子體天線陣列。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代通信天線正在向著頻率可重構(gòu)和方向圖可重構(gòu)的智能天線方向發(fā)展。智能天線能夠在不同方向動態(tài)控制輻射強度，從而可以成倍地擴展通信系統(tǒng)容量。等離子體天線可以實現(xiàn)輻射方向圖的控制和動態(tài)重構(gòu)，是一種具有良好發(fā)展前景的智能天線技術(shù)。與傳統(tǒng)天線相比，等離子體天線采用等離子體替代普通金屬來傳導(dǎo)和輻射電磁波。等離子體天線在工作時，可以發(fā)射或接受無線電信號，而在不工作時，天線呈現(xiàn)絕緣電介質(zhì)特性，雷達散射截面極小。等離子體天線具有質(zhì)量輕、體積小、可重構(gòu)、造價低的顯著優(yōu)點。在商用上，采用等離子體天線的通信設(shè)備可以更好地控制天線的輻射特性。由于采用等離子體作為天線材料，等離子體的密度、碰撞頻率等參數(shù)都可以動態(tài)進行調(diào)整。這樣可以使天線阻抗、帶寬、方向圖、輻射功率在較寬范圍內(nèi)動態(tài)改變。相比普通相控天線陣， 等離子天線陣列不用活動部件就能高速地進行輻射方向圖掃描。在軍事上，等離子體天線可以提高軍事設(shè)施的雷達隱蔽性能。因為采用等離子體材料傳導(dǎo)和輻射電磁信號，所以可以在需要的時候才激發(fā)產(chǎn)生等離子體，發(fā)射軍事通信信號；其余時間不激發(fā)等離子體，此時等離子體相當(dāng)于一般惰性氣體，不會吸收或散射雷達信號，從而實現(xiàn)對雷達隱身。與單個等離子體天線相比較，等離子體天線陣列的可控范圍更寬，性能更優(yōu)越。目前已有等離子體天線陣列技術(shù)一般采用相移陣、調(diào)節(jié)射頻激勵功率或是調(diào)節(jié)工作天線數(shù)目的方式對等離子體天線陣列的輻射性能進行動態(tài)控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種饋電方式簡單，輻射特性快速可調(diào)的磁控波束可變的等離子體天線陣列。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下
一種磁控波束可變的等離子體天線陣列，包括多個磁控等離子體天線單元；磁控等離子體天線單元包括介質(zhì)管、惰性氣體、激勵饋電環(huán)、信號饋電環(huán)、電磁鐵和接地板；介質(zhì)管中封裝有惰性氣體；激勵饋電環(huán)和信號饋電環(huán)是金屬圓環(huán)，環(huán)繞在介質(zhì)管下端的外部，激勵饋電環(huán)設(shè)置在信號饋電環(huán)的上方；介質(zhì)管的正下方依次設(shè)置電磁鐵和接地板，電磁鐵設(shè)置在介質(zhì)管與接地板之間；多個磁控等離子體天線單元的激勵饋電環(huán)通過導(dǎo)線與射頻激勵電源相連，射頻激勵電源為各個磁控等離子體天線單元提供相同的射頻激勵功率；多個磁控等離子體天線單元的信號饋電環(huán)通過導(dǎo)線與信號饋電端口相連，信號饋電端口的通信信號等幅同相地饋入各個磁控等離子體天線單元；各個磁控等離子天線的電磁鐵通過導(dǎo)線與控制
3器相連；控制器用于分別調(diào)節(jié)各個磁控等離子體天線單元的電磁鐵的磁場強度，改變對應(yīng)的磁控等離子體天線單元的介質(zhì)管中的等離子體的物理特性，進而控制磁控等離子天線單元的輻射性能；磁控波束可變的等離子體天線陣列通過控制器調(diào)節(jié)各個磁控等離子體天線單元的電磁鐵的磁場強度，調(diào)整各個磁控等離子體天線單元的輻射性能，實現(xiàn)整個天線陣列的輻射波束的動態(tài)控制。上述的磁控波束可變的等離子體天線陣列中，所述接地板是圓形的金屬平板。上述的磁控波束可變的等離子體天線陣列中，介質(zhì)管是中空的柱形管。上述的磁控波束可變的等離子體天線陣列中，激勵饋電環(huán)和信號饋電環(huán)的內(nèi)徑與介質(zhì)管的外徑相同。上述的磁控波束可變的等離子體天線陣列中，多個磁控等離子體天線單元排列成圓形陣列、直線陣列、矩形陣列或半圓形陣列。上述的磁控波束可變的等離子體天線陣列中，所述磁控等離子體天線單元的電磁鐵的磁場強度連續(xù)可調(diào)。上述的磁控波束可變的等離子體天線陣列中，所述介質(zhì)管的長度設(shè)置為λ/4，其中λ =c/f, c為真空中的光速，f為磁控波束可變的等離子體天線陣列的工作頻率，即通信信號的工作頻率。上述的磁控波束可變的等離子體天線陣列中，介質(zhì)管中封裝有惰性氣體和水銀蒸汽的混合物。上述的磁控波束可變的等離子體天線陣列中，所述惰性氣體為氬氣、氖氣、氦氣、 氪氣或氙氣。作為上述磁控波束可變的等離子體天線陣列的優(yōu)選方案，所述激勵饋電環(huán)的材料為導(dǎo)電性能良好的金屬；射頻激勵電源輸出10-30MHZ的正弦波信號；介質(zhì)管的長度被設(shè)置為λ/4，其中A=c/f，c為真空中的光速，f為磁控波束可變的等離子體天線陣列的工作頻率，即通信信號的工作頻率；介質(zhì)管由玻璃或者耐熱塑料制成，厚度為0. 5mm-4mm ； 接地金屬板的半徑與介質(zhì)管的長度之比小于0. 1 ；信號饋電環(huán)設(shè)置在介質(zhì)管底端之上的 8mm-12mm，激勵饋電環(huán)設(shè)置在信號饋電環(huán)之上3mm-6mm ；惰性氣體優(yōu)選氬氣、氖氣、氦氣、氪氣或氙氣；惰性氣體的壓強為IOmTorr-IOTorr ；惰性氣體中還可摻入水銀蒸汽；電磁鐵的磁場強度連續(xù)可調(diào)。射頻激勵源的高功率射頻信號通過激勵饋電環(huán)對介質(zhì)管中的惰性氣體進行激勵， 使得介質(zhì)管中的惰性氣體被電離成等離子離子體柱。同時，來自信號饋電端口的等幅同相的通信信號通過信號饋電環(huán)施加到等離子體柱上，以表面波的形式傳導(dǎo)并且輻射出去。多個磁控等離子體天線單元排列起來同時工作構(gòu)成磁控波束可變的等離子體天線陣列。當(dāng)磁控波束可變的等離子體天線陣列工作時，所有磁控等離子體天線單元同時受到相同的射頻激勵處于工作狀態(tài)，而且每個天線單元上都同時饋入通信信號。當(dāng)磁控等離子體天線單元的電磁鐵的磁場增大時，介質(zhì)管中的等離子體受到更強的磁場作用，等離子體具有更高的導(dǎo)電率，輻射性能增強?？刂破髡{(diào)節(jié)各個磁控等離子體天線單元的電磁鐵的磁場強度，使部分磁控等離子體天線單元具有比其他天線單元更強的輻射，進而使得整個天線陣列的輻射方向圖發(fā)生改變。通過調(diào)節(jié)各個磁控等離子體天線單元的電磁鐵的磁場強度，就能在一定方向上產(chǎn)生較強的方向圖指向性，所以磁控波束可變的等離子體天線陣列的輻射方向圖可以在天線單元分布的平面上進行波束掃描。多個磁控等離子體天線單元可以排列成圓形陣列，直線陣列，矩形陣列或半圓形陣列，并且通過控制器調(diào)節(jié)各個磁控等離子體天線單元的輻射特性，從而獲得所需要的輻射波瓣圖，方向性等天線參數(shù)。本發(fā)明與現(xiàn)有等離子體天線技術(shù)相比，已有等離子體天線陣列一般采用相移陣、 調(diào)節(jié)射頻激勵功率或是調(diào)節(jié)工作天線數(shù)目的方式改變天線陣列的輻射特性，可調(diào)射頻激勵電源和相移陣的成本昂貴。磁控波束可變的等離子體天線陣列通過調(diào)節(jié)各個磁控等離子體天線單元的電磁鐵的磁場強度，可以靈活地對各個磁控等離子體天線單元的等離子體的電導(dǎo)率和輻射強度進行動態(tài)調(diào)整，因此其輻射特性的可控性更寬、更快速，并且成本更低。同時，磁控波束可變的等離子體天線陣列的各個天線單元同時被激勵成為等離子體天線，而且通信信號都等幅同相地饋入到天線單元上，所以各個天線單元是同時工作的，這樣可以具有較高的輻射方向性系數(shù)。磁控波束可變的等離子體天線陣列的方向圖可以指向所需要的方向，輻射方向圖具有可控制性，能夠?qū)⑤椛涔β始性谛枰姆较蛏希虼朔较蛐韵禂?shù)更高。本發(fā)明與普通金屬天線陣列相比，磁控波束可變的等離子體天線陣列的饋電采用等幅同相饋電方式，這樣免去了金屬天線陣列對各個天線單元的饋電端口的相位控制電路的復(fù)雜性、不穩(wěn)定性和成本高特性；另外，磁控波束可變的等離子體天線陣列通過改變天線單元的電磁鐵的磁場大小，等離子體電導(dǎo)率隨之變化，從而影響天線陣列的方向圖指向性， 這是一種電控的波束掃描，可以實現(xiàn)方向圖的快速動態(tài)重構(gòu)。


圖1是磁控波束可變的等離子體天線陣列的磁控等離子子天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是8單元的磁控波束可的等離子體圓形陣列的俯視示意圖。圖3是4單元的磁控波束可的等離子體直線陣列的俯視示意圖。圖4是6單元的磁控波束可的等離子體矩形陣列的俯視示意圖。圖5是5單元的磁控波束可的等離子體半圓陣列的俯視示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明，但本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于下例表述的范圍。一種磁控波束可變的等離子體天線陣列包括了多個磁控等離子體天線單元1，多個磁控等離子體天線單元1可以排列成圓形陣列，直線陣列，矩形陣列或半圓形陣列。磁控等離子體天線單元ι的數(shù)量一般為4至8個。如圖1所示，磁控等離子體天線單元1包括介質(zhì)管2、惰性氣體3、激勵饋電環(huán)4，信號饋電環(huán)5，電磁體6，接地板7;介質(zhì)管2可以由玻璃或者耐熱塑料制成，介質(zhì)管2是中空的圓柱管，厚度優(yōu)選0. 5mm-4mm，其中封裝了惰性氣體3，長度優(yōu)選為λ /4，可以使磁控等離子體單元1具有較高的輻射強度；激勵饋電環(huán)4和信號饋電環(huán)5是金屬圓環(huán)，環(huán)繞在介質(zhì)管2 下端的外部，其內(nèi)徑與介質(zhì)管2的外徑相同；激勵饋電環(huán)4設(shè)置在信號饋電環(huán)5的上方；介質(zhì)管2的正下方依次設(shè)置電磁鐵6和接地板7，電磁鐵6介于介質(zhì)管2和接地板7之間；接地板7是圓形的金屬板，其半徑與介質(zhì)管2的長度之比優(yōu)選小于0. 1 ；信號饋電環(huán)5優(yōu)選設(shè)置在電磁鐵6之上的6mm-12mm，激勵饋電環(huán)4優(yōu)選設(shè)置在信號饋電環(huán)5之上3mm-6mm。多個磁控等離子體天線單元1的激勵饋電環(huán)4通過導(dǎo)線與射頻激勵電源10相連，射頻激勵電源10為每個磁控等離子體天線單元1提供相同的射頻激勵功率；多個磁控等離子體天線單元1的信號饋電環(huán)5通過導(dǎo)線與信號饋電端口 9相連，用于將來自信號饋電端口 9的通信信號饋入各個磁控等離子體天線單元1 ；信號饋電端口 9用于連接信號發(fā)射機或者接收機； 多個磁控等離子體天線單元1的電磁鐵6通過導(dǎo)線與控制器8相連，控制器8通過控制各個電磁鐵6的電流大小改變電磁鐵的磁場強度。控制器8包括單片機控制電路和多個輸出電流可調(diào)的直流電源；直流電源與電磁鐵6通過導(dǎo)線相連，為電磁體6提供直流電；直流電源輸出的電流增大時，電磁鐵6的磁場變強；直流電源輸出的電流減小時，電磁鐵6的磁場變?nèi)?；各個直流電源的輸出電流大小由單片機控制電路調(diào)節(jié)。激勵饋電環(huán)4和信號饋電環(huán)5的材料為導(dǎo)電性能良好的金屬。激勵饋電環(huán)4對惰性氣體3進行單端激勵以產(chǎn)生表面波驅(qū)動的等離子體柱。射頻激勵電源10可輸出10-30MHZ 的正弦波信號。來自信號饋電端口 9的通信信號通過信號饋電環(huán)5等幅同相地饋入陣列中的每個磁控等離子體天線單元1中。介質(zhì)管2內(nèi)部充填的惰性氣體3被激勵饋電環(huán)4激發(fā)成為等離子體柱，成為磁控等離子體天線單元ι的電磁波傳導(dǎo)煤質(zhì)；各個磁控等離子體天線單元1的電磁鐵6的磁場強度由控制器8控制，實現(xiàn)對各個等離子體天線單元1的等離子體的磁化強度的單獨控制； 通過控制電磁鐵6的磁場調(diào)節(jié)各個磁化等離子體天線單元1中的等離子體的導(dǎo)電率，引起該磁控等離子體天線單元1輻射或者接受通信信號強度的變化；陣列中的一些磁控等離子體天線單元輻射或者接受通信信號強度增大，會使得整個天線陣列的輻射方向圖具有明顯的指向性，從而使天線陣列的輻射波束可變。磁控波束可變的等離子體天線陣列工作時，各個磁控等離子體天線單元1都受到射頻激勵電源10的作用；用于輻射信號時，等幅同相的通信信號從信號饋電端口 9通過信號饋電環(huán)5與磁控等離子體天線單元1耦合，使得各個磁控等離子體天線單元1同時輻射通信信號。磁控波束可變的等離子體天線陣列不工作時，射頻激勵電源10和信號饋電端口 9都關(guān)閉，介質(zhì)管2中的等離子體回復(fù)為惰性氣體3，其雷達散射截面極小，從而使磁控波束可變的等離子體天線陣列具有雷達隱身性能。磁控等離子體天線單元1的長度在電長度為λ /4時具有較好的輻射性能，磁控等離子體天線單元1的介質(zhì)管2的長度被設(shè)置為λ/4，其中X=c/f，c為真空中的光速，f為磁控波束可變的等離子體天線陣列的工作頻率，即通信信號的工作頻率。對于250MHz的工作頻率，介質(zhì)管2的長度為300mm，從而使其中受激生成等離子體的長度約為300mm，即對應(yīng)電長度為λ/4。介質(zhì)管2中充入的惰性氣體3可以選擇氬氣、氖氣、氦氣、氪氣或者氙氣，另外也可以在其中摻入水銀蒸汽。惰性氣體3的氣壓壓強為IOmTorr-IOTorr。磁控波束可變的等離子體天線陣列用于輻射時，所有介質(zhì)管2中的惰性氣體3都被激勵饋電環(huán)4電離為等離子體，通信信號從信號輸入端口 9輸入到信號饋電環(huán)5并且饋入等離子體天線單元1。通過控制器8調(diào)整各個等離子體天線單元1上的電磁鐵6的磁場大小，可以使其中的等離子體的電導(dǎo)率發(fā)生變化；電磁鐵6的磁場增大時，介質(zhì)管2中的等離子體的電導(dǎo)率上升，所對應(yīng)的磁控等離子體天線單元1的輻射強度增大。通過控制器8 控制陣列中不同位置上的磁控等離子體天線單元1的電磁鐵6的磁場強度，可以使得磁控波束可變的等離子體天線陣列總的輻射方向圖在一定方向上具有明顯的指向性，從而可以實現(xiàn)整個天線陣列的輻射波束的動態(tài)控制。多個磁控等離子體天線單元1可以排列成圓形陣列，直線陣列，矩形陣列或半圓形陣列，如圖2所示的由8個磁控等離子體天線單元1在一個圓環(huán)上均勻排列分布構(gòu)成圓形陣列；如圖3所示的4單元的磁控波束可的等離子體直線陣列；圖4所示的6單元的磁控波束可的等離子體矩形陣列；圖5所示的5單元的磁控波束可的等離子體半圓陣列；各種排列形式的磁控波束可變的等離子體天線陣列通過控制器調(diào)節(jié)各個磁控等離子體天線單元的輻射特性，從而獲得所需要的輻射波瓣圖，方向性等天線參數(shù)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁控波束可變的等離子體天線陣列，其特征在于包括多個磁控等離子體天線單元；磁控等離子體天線單元包括介質(zhì)管、惰性氣體、激勵饋電環(huán)、信號饋電環(huán)、電磁鐵和接地板；介質(zhì)管中封裝有惰性氣體；激勵饋電環(huán)和信號饋電環(huán)是金屬圓環(huán)，環(huán)繞在介質(zhì)管下端的外部，激勵饋電環(huán)設(shè)置在信號饋電環(huán)的上方；介質(zhì)管的正下方依次設(shè)置電磁鐵和接地板， 電磁鐵設(shè)置在介質(zhì)管與接地板之間；多個磁控等離子體天線單元的激勵饋電環(huán)通過導(dǎo)線與射頻激勵電源相連，射頻激勵電源為各個磁控等離子體天線單元提供相同的射頻激勵功率；多個磁控等離子體天線單元的信號饋電環(huán)通過導(dǎo)線與信號饋電端口相連，信號饋電端口的通信信號等幅同相地饋入各個磁控等離子體天線單元；各個磁控等離子天線的電磁鐵通過導(dǎo)線與控制器相連；控制器用于分別調(diào)節(jié)各個磁控等離子體天線單元的電磁鐵的磁場強度，進而控制磁控等離子天線單元的輻射性能，實現(xiàn)對整個天線陣列的輻射波束的動態(tài)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁控波束可變的等離子體天線陣列，其特征在于接地板是圓形的金屬平板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁控波束可變的等離子體天線陣列，其特征在于介質(zhì)管是中空的柱形管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁控波束可變的等離子體天線陣列，其特征在于激勵饋電環(huán)和信號饋電環(huán)的內(nèi)徑與介質(zhì)管的外徑相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁控波束可變的等離子體天線陣列，其特征在于多個磁控等離子體天線單元排列成圓形陣列、直線陣列、矩形陣列或半圓形陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁控波束可變的等離子體天線陣列，其特征在于所述磁控等離子體天線單元的電磁鐵的磁場強度連續(xù)可調(diào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁控波束可變的等離子體天線陣列，其特征在于所述介質(zhì)管的長度設(shè)置為λ/4，其中X=c/f，c為真空中的光速，f為磁控波束可變的等離子體天線陣列的工作頻率，即通信信號的工作頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁控波束可變的等離子體天線陣列，其特征在于介質(zhì)管中封裝有惰性氣體和水銀蒸汽的混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8任一項所述的磁控波束可變的等離子體天線陣列，其特征在于 所述惰性氣體為氬氣、氖氣、氦氣、氪氣或氙氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁控波束可變的等離子體天線陣列，其特征在于射頻激勵電源的輸出為10-30MHZ的正弦波信號；介質(zhì)管由玻璃或者耐熱塑料制成，厚度為 0. 5mm-4mm ；接地金屬板的半徑與介質(zhì)管的長度之比小于0. 1 ；信號饋電環(huán)設(shè)置在介質(zhì)管底端之上的8mm-12mm處，激勵饋電環(huán)設(shè)置在信號饋電環(huán)之上3mm-6mm ；惰性氣體的壓強為 IOmTorr-IOTorr0
全文摘要
本發(fā)明公開一種磁控波束可變的等離子體天線陣列，由多個磁控等離子體天線單元組成。多個磁控等離子體天線單元可以排列成圓形陣列，直線陣列，矩形陣列或半圓形陣列。所述磁控等離子體天線單元包括介質(zhì)管、惰性氣體、激勵饋電環(huán)、信號饋電環(huán)、電磁鐵和接地板；在各個磁控等離子體天線單元的激勵饋電環(huán)上施加相同的射頻激勵功率對惰性氣體進行單端激勵產(chǎn)生等離子體柱；在各個磁控等離子體天線單元的信號饋電環(huán)上施加相同幅度和相位的通信信號。磁控波束可變的等離子體天線陣列通過控制器調(diào)節(jié)各個磁控等離子體天線單元的電磁鐵的磁場強度，進而控制各個磁控等離子體天線單元的輻射性能，實現(xiàn)對整個天線陣列的輻射波束的動態(tài)控制。
文檔編號H01Q21/00GK102354798SQ20111023609
公開日2012年2月15日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)明者周雙, 胡斌杰 申請人:華南理工大學(xué)