一种基于等离子体介质调制的磁偶极子天线的制作方法

文档序号:10728234阅读:1219来源:国知局
一种基于等离子体介质调制的磁偶极子天线的制作方法
【专利摘要】一种基于等离子体介质调制的磁偶极子天线,主要包括等离子体内芯和磁线圈,所述等离子体内芯为半圆柱形或半圆环形的等离子体结构,在等离子体内芯的外围缠绕连接一圈磁线圈,磁线圈的两端与频率为0.3GHz电磁信号通过馈电口进行连接。本发明具有通过共振调高天线辐射能力、天线尺寸小等优点。
【专利说明】
一种基于等离子体介质调制的磁偶极子天线
技术领域
[0001]本发明涉及通信技术领域,尤其是一种等离子体天线。
【背景技术】
[0002]天线是无线电通讯收发系统中必不可少的重要组成部分,其作用就是发射或接收无线电波信号。在发射端,发射机产生的已调制的高频振荡电流经馈电设备输入发射天线,发射天线将高频电流或导波转变为无线电波,即自由电磁波向周围空间福射;在接收端,无线电波通过接收天线转变成高频电流或导波经馈电设备传送到接收机。这里所提到的高频电流、无线电波等都是能量的不同表现形式。因此,从上述过程可以看出,天线不但是辐射和接收无线电波的装置,同时也是一个能量转换器,是电路与空间的界面器件。自19世纪末天线问世以来,为了提高天线的性能和使用范围,许多科学家都进行了大量的研究,并取得了一系列突破性的成果。近年来,提高天线的发射能力成为天线研究的重点。现有天线设计除了在结构上优化,也采用先进的材料来优化天线特性,如:采用等离子体作为介质代替金属实现信号的传播而产生的等离子体天线。
[0003]等离子体是宇宙空间中普遍存在的一种物质形态。通常情况下,物质有三种形态,即固体、液体和气体。固体可以根据导电性能的不同,分为导体、半导体和绝缘体;液体通过其中的正、负离子导电;气体一般不导电。但是,等离子体一般都有很大的电导率,在电磁性能上完全有别于普通气体,它是由带电粒子组成整体呈准中性、有集约效应的非束缚态体系,通常包含电子、离子和中性粒子,是与物质的气态、液态、和固态三态并存的第四态。等离子体为典型的色散介质,其介电常数随着等离子体密度的增大而降低。在外界电磁波的不同影响下,等离子体有可能呈现出两种不同的性质:当外界电磁波频率大于等离子体频率时,电磁波将被等离子体吸收,与此同时,天线会辐射出一定波长的电磁波,还可以通过改变等离子体的密度来改变等离子体频率,达到控制天线辐射特性的目的;当外界电磁波频率小于等离子体频率时,等离子体的相对介电常数小于零,折射率是虚数,也就意味着电磁波是从光密媒质进入光疏媒质,不能越过边界传播,都要被反射回去,此时等离子体具有和金属介质类似的性质。事实上,电离层本身就是一个极大的等离子体,短波通信就是利用了这个性质,不同频率的电磁波能在电离层不同电子浓度处发生反射,其实也就是因为不同高度处的等离子体频率发生了变化。
[0004]等离子体天线一般来说由内部填充了一定气体的玻璃管或者陶管所组成,通过将其内部的气体电离从而使天线处于工作状态,在电离过程中可以对调控气体的密度,控制电磁场对其结构进行动态重构,使其适应不同的传输频率、方向、增益、传输带宽等,因此一个等离子天线可以承担几个不同的金属天线的功能,使得组建天线阵列所需的天线数量大大减少,其体积和重量也一并减少。等离子天线通常包括两种类型:一类是指利用等离子体的电磁波放射特性,构成一个电磁波的反射面,如同通常意义上利用金属构成的面天线反射面。等离子体气体在一定条件下就像导体一样可以导电,且可以发射和接收无线电信号;第二类等离子体天线就是将等离子发生器放电管作为天线元件。通电时,管内的惰性气体电离并成为导体,可发射和接收电磁波信号;断电时,成为绝缘体,不会反射电磁波。因此,等离子体天线不同于传统意义上的金属天线。相对于金属天线,等离子天线可以不需要很大的体积就可以进行低频信号的传输。同样由于等离子的性质,等离子天线将只会对低于或等于等离子体本身振荡频率的电磁波进行响应,高于该频率的电磁波,将可以自由穿过等离子体天线,并不会对等离子体天线产生影响,从而大大降低了等离子体天线之间的干扰。此外,基于等离子体的特殊性质,通过调整激励等离子体功率、磁场等外部参数改变等离子体的长度、密度等,可在毫秒至微秒量级上实现不同收发频率天线的最佳工作状态快速重构。
[0005]综上所述,由于等离子独特的物理性质,使得等离子体天线具有隐身性、重量轻、体积小、效率高等优点。而现有等离子体天线是基于等离子体对电磁信号的反射作用,其工作中要求等离子体层厚度大于天线波长,要求高密度及大厚度的等离子体,不利于小天线的组阵工作。因此,研制一种低密度、小体积的天线是十分必要的。

【发明内容】

[0006]本发明目的在于提供一种通过共振调高天线辐射能力、天线尺寸小、离子体密度及体积较小的基于等离子体介质调制的磁偶极子天线。
[0007]为实现上述目的,采用了以下技术方案:本发明主要包括等离子体内芯和磁线圈,所述等离子体内芯为半圆柱形或半圆环形的等离子结构,在等离子体内芯的外围缠绕连接一圈磁线圈,磁线圈的两端与频率为0.3GHz电磁信号通过馈电口进行连接。
[0008]进一步的,所述等离子体内芯采用半圆柱形结构,半径为3cm?5cm,厚度为I cm?3cm;等离子体内芯外围所缠绕的磁线圈的半径大于内芯半径、厚度等于内芯厚度;磁线圈由半径为Imm?2mm的金属导线缠绕而成。
[0009]进一步的,所述等离子体内芯采用半圆环形结构,由于环形区域为空心结构,为了提高等离子体体积以提高天线辐射效果,需增大环形结构尺寸,等离子体内芯的内圆半径3cm?4.5cm,外圆半径为6?9cm厘米,厚度为I cm?3cm。
[0010]进一步的,所述等离子体内芯可采用现有直流放电、介质阻挡放电以及微波放电在圆柱或半圆环形的石英容器内放电形成。
[0011 ]与现有技术相比,本发明具有如下优点:
[0012]1、传统磁偶极子天线的基础上引入一定结构的等离子体内芯,利用等离子体负介电常数的特性,在磁偶极子天线内部形成电场的共振,通过共振调高天线辐射能力,可以达到原偶极天线辐射强度的10倍。
[0013]2、通过调节等离子体内芯的形状,可以实现天线辐射场的方向性,该天线尺寸较小,天线工作的等离子体密度及体积也较小,特别适合于小天线的组阵工作。
【附图说明】
[0014]图1是本发明采用半圆柱形内芯的结构简图。
[0015]图2是采用半圆柱形内芯的天线辐射强度随等离子体密度变化的特性图。
[0016]图3是采用半圆柱形内芯的辐射远场特性图。
[0017]图4是本发明采用半圆环形内芯的结构简图。
[0018]图5是采用半圆环形内芯的辐射远场特性图。
[0019]图6是采用半圆环形内芯的线圈内部电场分布特性图。
[0020]附图标号:1_等离子体内芯、2-磁线圈。
【具体实施方式】
[0021 ]下面结合附图对本发明做进一步说明:
[0022]如图1所示,本发明主要包括等离子体内芯I和磁线圈2,所述等离子体内芯为半圆柱形等离子体结构,等离子体的产生可以采用石英容器内部放电、热阴极等形式。在等离子体内芯的外围缠绕连接一圈磁线圈。内芯的半径为3cm?5cm,厚度为I cm?3cm;等离子体内芯芯外围所缠绕的磁线圈的半径略大于内芯半径、厚度等于内芯厚度;磁线圈由半径为Imm?2mm的金属导线缠绕而成。磁线圈的两端与频率为0.3GHz电磁信号通过馈电口进行连接,进一步调节放电强度来调节等离子体密度,在磁线圈表面电流为lA/m2情况下,通过数值模拟可以得到距离天线0.9m位置,辐射强度随着等离子体密度变化特性,如图2所示。因此实际天线在工作过程中,选取等离子体密度为2 X 116Hf3,此时天线的辐射强度可达到没有等离子体内芯时的10倍,此时天线远程特性如图3所示。同时可以通过在线圈内部等离子体内芯相对的半圆柱内放置不同介电常数的介质来改变辐射最大强度所对应的等离子体密度。
[0023]如图4所示,本发明主要包括等离子体内芯和磁线圈,所述等离子体内芯为半圆环形等离子磁体结构,等离子体内芯的内圆半径3cm?4.5cm,外圆半径为6?9cm厘米,厚度为I cm?3cm。同样可以通过调节放电强度选择最大福射强度作为工作电,而此时天线远场特性如图5所示,天线辐射有较明显的方向性,可实现辐射的定向性。
[0024]磁偶极子天线在没有等离子体内芯的情况下,其内部电场分布如图6(a)所示,此时等离子体内芯内部呈现容性,电场呈现顺时针;当引入高密度等离子体后(图6(b)),等离子体的介电常数为负值,呈现感性,而等离子体相对应部分为空气,介电常数为正值,呈现容性;两种情况下线圈内部磁场变化相同,由此产生的感应电动势相同,也就是电场沿着闭合曲线(图6中虚线部分)的积分相同。引入等离子体内芯后,等离子体内部电场为逆时针方向,与真空中电场方向相反,从而形成了等离子体内芯内部电场的共振特性,使得电场强度增大,进而提高了天线辐射能力。
[0025]以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
【主权项】
1.一种基于等离子体介质调制的磁偶极子天线,主要包括等离子体内芯和磁线圈,其特征在于:所述等离子体内芯为半圆柱形或半圆环形的等离子结构,在等离子体内芯的外围缠绕连接一圈磁线圈,磁线圈的两端与频率为0.3GHz电磁信号通过馈电口进行连接。2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体介质调制的磁偶极子天线,其特征在于:所述等离子体内芯采用半圆柱形结构,半径为3cm?5cm,厚度为Icm?3cm;等离子体内芯外围所缠绕的磁线圈的半径大于内芯半径、厚度等于内芯厚度;磁线圈由半径为Imm?2mm的金属导线缠绕而成。3.根据权利要求1所述的一种基于等离子体介质调制的磁偶极子天线,其特征在于:所述等离子体内芯采用半圆环形结构,由于环形区域为空心结构,为了提高等离子体体积以提高天线福射效果,需增大环形结构尺寸,等离子体内芯的内圆半径3cm?4.5 cm,外圆半径为6?9cm厘米,厚度为I cm?3cm。4.根据权利要求1所述的一种基于等离子体介质调制的磁偶极子天线,其特征在于:所述等离子体内芯可采用直流放电、介质阻挡放电以及微波放电在圆柱或半圆环形的石英容器内放电形成。
【文档编号】H01Q7/00GK106099326SQ201610389875
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月2日 公开号201610389875.4, CN 106099326 A, CN 106099326A, CN 201610389875, CN-A-106099326, CN106099326 A, CN106099326A, CN201610389875, CN201610389875.4
【发明人】王春生, 王华山, 陈庆杰, 王义德, 杨丹
【申请人】燕山大学
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