一种用于激发可变负介电常数环境的微波天线装置的制作方法

本发明涉及一种微波天线，尤其是涉及一种用于激发可变负介电常数环境的微波天线装置。

背景技术：

微波通信属于无线通信方式，其无线电波的收和发是由天线来完成的。即微波发信机输出的信号通过馈线送至天线，由天线向对端发射无线电磁波，或由天线接收对方发射来的无线电磁波，并通过馈线送往微波收信机。

可变负介电常数这一物理性质在电路与天线领域有着良好应用前景，然而带有此种物理性质的物质在日常中并不多见。近年来兴起的左手材料是较为热门的一类负介电常数材料，但其也是一种介电常数值固定不变的材料，并且该种材料为人工合成，制造的成本高昂，技术难度较大。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于激发可变负介电常数环境的微波天线装置，为电路与天线设计领域提供了可重构应用环境。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于激发可变负介电常数环境的微波天线装置，包括微波功率源、波导、金属真空腔和介质天线，所述微波功率源与波导连接，所述波导与金属真空腔无缝连接，所述介质天线设置于波导腔和金属真空腔内，所述金属真空腔填充有不活泼气体；

调节所述微波功率源输出的微波功率，改变所述不活泼气体氛围下产生的等离子体密度，获得可变负介电常数环境。

进一步地，所述介质天线为由低电磁损耗的耐高温介质材料制成的天线。

进一步地，所述介质天线的截面直径与波导的窄边宽度相匹配。

进一步地，所述金属真空腔为圆柱形真空腔体。

进一步地，所述微波功率源与波导间连接有调谐开关。

进一步地，所述调谐开关为安装在波导上的金属销钉，通过调节所述金属销钉在波导腔内的长度，调节微波功率源和波导之间的最佳功率适配。

进一步地，所述不活泼气体包括氮气、氦气和氩气中的一种。

进一步地，所述金属真空腔侧壁开设有用于真空抽气或气体出入的开口。

进一步地，所述金属真空腔内压强为≤200pa。

进一步地，所述介质天线外的等离子体相对介电常数εp和等离子体密度n存在如下关系：

其中，εp表示等离子体相对介电常数，ε0表示真空介电常数，e表示电子电量，ωp表示等离子体的角频率，ω表示微波的角频率，n表示等离子体密度，me表示电子质量。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

1)本发明可通过调节微波功率，改变金属真空腔内的等离子体密度，从而获得可变负介电常数环境，提供一种方便产生可变负介电常数环境的途径，为电路与天线设计领域提供了可重构应用环境。

2)本发明波导腔与金属真空腔之间采用无缝对接，可靠性高。

3)本发明可设置调谐开关，对微波功率源和波导之间的最佳功率适配进行调节，以提高可靠性。

4)本发明采用低电磁损耗的耐高温介质材料制成的介质天线，具有耐高低温特性、耐腐蚀性以及较强的绝缘性，且便于加工。

5)本发明设计介质天线截面直径与波导窄边宽度相匹配，采用波导窄边宽度接近的值，可确保大部分的能量传输不会从缝隙泄露。

6)本发明微波功率源在介质天线表面产生等离子体，在介质天线周围即营造了一个负介电常数的环境，可以通过选择不同的微波功率和不同介电常数的介质天线激发出不同密度的等离子体，扩大适用范围。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提供一种用于激发可变负介电常数环境的微波天线装置，包括微波功率源1、波导3、金属真空腔4和介质天线5，微波功率源1与波导3连接，波导3与金属真空腔4无缝连接，如无缝连接处42所示，介质天线5设置于波导腔和金属真空腔4内，金属真空腔4填充有不活泼气体；调节微波功率源1输出的微波功率，改变不活泼气体氛围下产生的等离子体密度，从而获得可变负介电常数环境。

微波功率源1选用连续可调的微波功率源，并可对入射功率和反射功率进行监控。

介质天线5为由低电磁损耗的耐高温介质材料制成的天线，可满足耐高低温特性、耐腐蚀性以及较强的绝缘性的要求，而且便于加工。介质天线5可采用特氟龙介质天线或者石英等其他材料的介质天线。

介质天线5的截面直径与波导3的窄边宽度相匹配，可采用与波导3的窄边宽度接近的值，根据缝隙耦合设计理论，可确保大部分的能量传输不会从缝隙泄露。在某实施例中，介质天线的长度选择50cm，其中上部5cm部分位于波导内，下部45cm位于金属腔体中(介质天线长度以及波导的长度可以根据下方金属真空腔体的尺寸自行选择，以实际应用需要为准)；天线安装设计整体来看等同于一个开槽天线设计。

波导3的选择与微波功率源1的频率相适配。以微波功率源频率为2.45ghz为例，选择对应频段的波导型号为国标bj26(如果选择其他微波频率，则选择对应的波导型号，此时波导的窄边宽和长边长都随之变化)。

在某些实施例中，微波功率源1与波导3间连接有调谐开关2，对微波功率源1和波导3之间的匹配性进行进一步调节。具体地，调谐开关2可为安装在波导3上的金属销钉(也可通过其他调谐手段使负载与功率源之间的匹配)，通过调节金属销钉在波导腔内的长度，调节微波功率源和波导之间的最佳功率适配。

金属真空腔4为圆柱形真空腔体。在某实施例中，金属真空腔4的直径为30cm，腔体的长度为45cm(腔体的直径和长度可以选择其他值，以实际应用为导向)。

本发明的微波天线装置工作时，保持金属真空腔4的腔体内压强达到≤200pa。金属真空腔4侧壁开设有用于真空抽气或气体出入的开口41。金属真空腔4内填充的是化学性质不活泼的单质气体(如氮气、氦气、氩气等)。

微波功率源1输出的微波功率信号通过波导腔耦合到介质天线5，处在金属真空腔4内的介质天线部分在微波功率达到一定值时会激发气体放电产生等离子体。当微波功率增加时，介质天线外的等离子体密度也随之升高。当压强≤200pa时，介质天线5外的等离子体相对介电常数εp和等离子体密度n存在如下关系：

其中，εp表示等离子体相对介电常数，ε0表示真空介电常数，e表示电子电量，ωp表示等离子体的角频率，ω表示微波的角频率，n表示等离子体密度，me表示电子质量。

当金属真空腔体内的压强为≤200pa时，逐渐增大微波功率源的输出功率，位于金属真空腔体内的介质天线顶部的表面会首先产生等离子体；继续增加输入到金属腔体的微波功率，等离子体产生的区域继续往下延伸，直至形成一个介质天线表面全覆盖的负介电常数环境。在介质天线激发产生出等离子体的过程中，通过调节微波功率源的入射功率可对等离子体密度n进行调控，从而实现介质天线表面附近区域的相对介电常数从1到-εa(εa是介质天线的相对介电常数；相对介电常数与真空中介电常数ε0的乘积即为介电常数)的变化。以介质天线为特氟龙介质棒的情况为例，特氟龙的相对介电常数2.2，因此本发明的装置可以产生1到-2.2相对介电常数变化的环境；若采用的介质天线为石英介质棒，石英的相对介电常数3.2，因此本发明的装置可以产生1到-3.2相对介电常数变化的环境。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。