實(shí)用型等離子體天線的研制與測試

孫 簡 謝義方 霍文青 徐躍民 孫海龍

(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190)

引 言

等離子體天線利用電離氣體的導(dǎo)電性輻射電磁波，同普通金屬天線相比具有低雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section，RCS)、自重構(gòu)、超寬帶等優(yōu)勢，在國內(nèi)外已開展了多年的研究[1-2].由于技術(shù)方面的困難，等離子體天線的一些關(guān)鍵性能參數(shù)，特別是增益指標(biāo)通常很難達(dá)到常規(guī)金屬天線的水平，而且往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，龐大而笨重.因此，至今未見等離子體天線實(shí)用化的公開報(bào)導(dǎo).

中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心相關(guān)課題組2004年開始等離子體天線項(xiàng)目，先后研制出多臺(tái)原理樣機(jī)，在該領(lǐng)域一直處于國內(nèi)領(lǐng)先水平[3-9].從2010年開始，利用大型微波暗室等設(shè)備對天線增益問題進(jìn)行了深入的研究并取得了突破性的進(jìn)展.在2011年組織的項(xiàng)目驗(yàn)收測試中，參測的等離子體天線樣機(jī)在400 MHz以下頻段的增益達(dá)到與金屬天線近似相等的水平[10]，具備了將等離子體天線實(shí)用化的基本條件.

然而，該樣機(jī)還存在體積質(zhì)量重、功耗高以及噪聲干擾嚴(yán)重等問題.針對等離子體天線實(shí)用化的要求，課題組對等離子體天線的各組成部分進(jìn)行了重新設(shè)計(jì).通過減小設(shè)備體積、質(zhì)量和功耗，達(dá)到在移動(dòng)載具上安裝的要求.為了驗(yàn)證改進(jìn)后樣機(jī)的性能，采用外場設(shè)備進(jìn)行天線測試，在400 MHz頻段達(dá)到了與金屬天線接近的增益水平.

1 等離子體天線的實(shí)用化改進(jìn)

1.1 物理與技術(shù)背景

等離子體天線的工作原理與電離層對電磁波的作用相似，由于電離層等離子體密度一定，只能反射低于自身等離子體頻率的電磁波，而對30 MHz以上的電磁波透明.同樣，等離子體天線通過提高介質(zhì)腔體內(nèi)的惰性氣體電離密度，可以將等離子體反射的臨界頻率提高到400 MHz以上.就是說，即使等離子體天線在低于400 MHz 的通信波段正常工作，也不會(huì)像常規(guī)金屬天線一樣同L波段以上的電磁波作用，RCS很低.

在現(xiàn)代通信中，廣泛采用跳頻通信手段來降低信號(hào)被截獲的概率，這就對頻率的跳變速度提出了很高的要求.對于通信中常規(guī)的金屬諧振天線，由于本身頻帶窄，而且機(jī)械調(diào)諧的速度慢，因此難以用單根天線滿足大范圍跳頻的要求.由于等離子體天線具有自重構(gòu)功能，天線尺寸可以通過改變等離子體腔體的激勵(lì)電壓來動(dòng)態(tài)調(diào)整，使天線的諧振頻率快速跳變到所需的頻點(diǎn).只要等離子腔體足夠長，只需同一根天線就可以在多個(gè)頻點(diǎn)頻繁快速切換而不會(huì)改變天線的阻抗和增益，獲得很寬的跳頻帶寬.

將等離子體天線的低RCS特性與寬頻帶低截獲概率通信手段相結(jié)合，可以使天線的低可探測性能達(dá)到一個(gè)新的高度.

1.2 相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究

一直以來，等離子體天線無法實(shí)用化的主要瓶頸是天線增益低.目前，中科院空間中心已掌握等離子體天線增益技術(shù)，樣機(jī)性能達(dá)到接近實(shí)用化的程度.實(shí)用化改進(jìn)中，主要的問題是等離子體天線的結(jié)構(gòu)比常規(guī)金屬天線復(fù)雜，特別是激發(fā)等離子體天線需要為天線腔體提供大功率的射頻激勵(lì)源，因此等離子體天線的體積、質(zhì)量比較大，而且對于電源功耗有較高的要求，比較難以安裝在各種移動(dòng)載具上.如圖1所示.

圖1中，等離子體天線由天線本體、等離子體激勵(lì)源以及供電源三部分組成，其中激勵(lì)源體積最龐大而且沉重.因此，等離子體天線實(shí)用化的關(guān)鍵在于等離子體激勵(lì)源的小型化.圖中激勵(lì)源的作用是將封閉在天線腔體內(nèi)的惰性氣體電離、產(chǎn)生等離子體，采用了150 MHz、100 W量級(jí)的射頻功率.由于激勵(lì)源的功耗很高，實(shí)際輸入功率超過300 W，用市電插座供電.

圖1 等離子體天線基本結(jié)構(gòu)

天線的激勵(lì)功耗也影響噪聲水平.在測試中，等離子體天線的噪聲非常高，往往將接收信號(hào)淹沒.通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，解決噪聲問題主要取決于兩個(gè)方面，一是提高等離子體激勵(lì)源的頻譜純度，二是盡量降低激勵(lì)功率.但是，為了產(chǎn)生足夠密度的等離子體，激勵(lì)功率必須維持在一定的水平.為此，我們通過實(shí)驗(yàn)確定等離子體天線激勵(lì)功率與天線效率的關(guān)系.通過采用不同功率激勵(lì)等離子體天線，并用頻譜分析儀接收天線信號(hào)，以此來分析天線激勵(lì)效率與激勵(lì)功率的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在圖2中列出.

圖2 激勵(lì)功率與激勵(lì)效率的關(guān)系

根據(jù)圖2，激勵(lì)功率越高，天線效率越高，而當(dāng)激勵(lì)功率達(dá)到一個(gè)臨界值(圖2中為50 W)以后，天線效率達(dá)到最大，即使繼續(xù)加大激勵(lì)功率，天線效率也不會(huì)再提高.因此，等離子體天線的激勵(lì)功率應(yīng)當(dāng)選擇在臨界功率，可以用最低的功耗達(dá)到最佳激勵(lì)效果，同時(shí)低功耗下激勵(lì)源引入的噪聲也最小.實(shí)驗(yàn)證明，通過對等離子體天線的激勵(lì)腔體和耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并適當(dāng)縮小體積以后，目前有效激發(fā)等離子體天線所需的臨界功率可以降低到30 W左右.

1.3 實(shí)用化改進(jìn)措施

在等離子體天線樣機(jī)的增益等性能達(dá)到良好的指標(biāo)后，實(shí)用化改進(jìn)的重點(diǎn)是縮小各組成部分的體積、質(zhì)量和功耗.

等離子體天線的本體由惰性氣體腔體、射頻激勵(lì)腔體以及阻抗匹配裝置組成.惰性氣體腔體為空心結(jié)構(gòu)，直徑和體積均大于普通金屬天線.為了縮小體積，我們重新研制了較細(xì)的介質(zhì)惰性氣體腔體，直徑由原來的3 cm左右減小到2 cm左右，有效降低了天線在移動(dòng)載具安裝時(shí)的風(fēng)阻.射頻激勵(lì)腔體用于固定和激勵(lì)介質(zhì)腔體，通過改進(jìn)使得這部分黃銅腔體的直徑更小，高度減小到20 cm以下，體積和質(zhì)量僅為原來的1/3左右，更容易嵌入安裝到移動(dòng)載具上，見圖3.

圖3 新天線(右)與舊天線(左)對比

由圖1可知，激發(fā)等離子體天線需要較大的輸入功率，相應(yīng)的射頻激勵(lì)源甚至比天線本身更為龐大笨重.對于實(shí)用化的等離子天線來說，縮小這部分的體積和重量非常重要.通過對等離子體天線各腔體內(nèi)耦合與匹配部件的改進(jìn)，可以提高等離子體的激勵(lì)效率，使得激勵(lì)等離子體天線達(dá)到最大增益時(shí)所需要的最小輸入功率由原來的接近60 W降低到30 W左右.相應(yīng)地，射頻激勵(lì)源也可以采用小型化的功率放大器和散熱結(jié)構(gòu).經(jīng)過全新的設(shè)計(jì)，新型激勵(lì)源的體積和質(zhì)量大為縮小，圖4所示.圖4左側(cè)原有激勵(lì)源的體積超過50 cm×50 cm×25 cm，質(zhì)量約30 kg.經(jīng)過改進(jìn)后體積縮小到大約20 cm×20 cm×10 cm，不到原來的1/10，質(zhì)量小于5 kg.

圖4 新激勵(lì)源(右)與舊激勵(lì)源(左)對比

由于激勵(lì)功耗降低，可以采用比較小巧的便攜式鎳氫蓄電池組，目前可以為等離子體天線在正常工作狀態(tài)下提供1 h左右的持續(xù)供電.圖5為完整的小型化等離子體天線樣機(jī)，圖中從左至右依次為便攜式鎳氫蓄電池組、射頻激勵(lì)源和天線本體.

圖5 實(shí)用型等離子體天線系統(tǒng)樣機(jī)

2 新型樣機(jī)的外場測試

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

等離子天線的主要技術(shù)難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)與金屬天線相似的增益性能.由于新型樣機(jī)為了縮小體積和質(zhì)量，對原有樣機(jī)的參數(shù)做了多項(xiàng)調(diào)整，降低了激勵(lì)功率，這些都有可能影響增益，需要通過測試確認(rèn)以上改動(dòng)對天線性能的影響.在外場實(shí)驗(yàn)中，主要采用“比較增益法”來測試天線的增益.

首先，使用兩個(gè)中心頻率400 MHz、增益為3 dB的普通金屬天線作為發(fā)射天線與接收天線，分別放置在相距50 m的測試臺(tái)上，距離地面高度6 m，如圖6所示.

圖6 天線外場測試裝置

圖6中，接收端金屬天線用吸盤固定在升降式發(fā)射架頂端的長方形鐵板上，并升高到與發(fā)射端相同的高度，用同軸電纜與地面的頻譜分析儀連接.發(fā)射端天線由吸盤固定在長條形鐵板上，再用螺栓固定在圓形金屬測試臺(tái)上.發(fā)射天線連接信號(hào)發(fā)生器，以400 MHz為中心頻率，發(fā)射25 dBm的微波信號(hào)，掃頻范圍從380 MHz到420 MHz，接收端每隔1 MHz記錄一次讀數(shù).

然后，將發(fā)射臺(tái)上的金屬天線取下，換上等離子體天線，如圖7所示.

圖7 等離子體天線的測試安裝

圖7中，等離子體天線及其匹配裝置通過鋁板固定在試驗(yàn)臺(tái)上，并用鎳氫電池為激勵(lì)源供電.當(dāng)?shù)入x子體激發(fā)形成天線以后，同樣以1 MHz為間隔發(fā)射380 MHz到420 MHz的25 dBm信號(hào)，記錄接收端頻譜儀讀數(shù)，通過比較兩次測試得到的頻譜分析儀讀數(shù)來計(jì)算等離子天線增益.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

金屬天線和等離子體天線從380 MHz到420 MHz的增益比較結(jié)果如圖8所示.

圖8 金屬天線與等離子體天線的增益對比

等離子體天線樣機(jī)優(yōu)化在400 MHz工作，金屬天線和等離子體天線均在400 MHz附近達(dá)到最大增益，表1給出具體測試數(shù)據(jù)并通過比較確定天線增益.

根據(jù)表1所示，在400 MHz工作頻率附近，等離子體天線的接收信號(hào)功率與金屬天線最接近，增益最小差距為2.1 dB.由于所采用的金屬天線增益在400 MHz頻率的增益為3 dB，因此在400 MHz頻率下等離子體天線的最大增益接近1 dB.

表1 400 MHz頻段的等離子體天線增益

3 新型樣機(jī)的噪聲測試

除了減小體積、質(zhì)量和功耗，新型等離子體天線樣機(jī)在性能上的最大改進(jìn)在于噪聲頻譜有了極大的改善.由于等離子體天線需要通過射頻功率激發(fā)產(chǎn)生足夠的等離子體密度，該激勵(lì)功率與天線的發(fā)射/接收信號(hào)都在同一個(gè)諧振器里耦合，因此很容易產(chǎn)生各階交叉調(diào)制，造成嚴(yán)重的雜波干擾，使接收信號(hào)時(shí)的信噪比惡化.

圖9所示，是原有激勵(lì)源在工作頻率正負(fù)70 MHz帶寬內(nèi)的頻譜分布圖，可見該激勵(lì)源有非常豐富的相噪與雜波成分，在通信測試中幾乎完全阻塞了接收信道，嚴(yán)重影響了天線的接收能力和有效通信距離.新激勵(lì)源的改進(jìn)重點(diǎn)在于提高相噪性能，抑制高次諧波.改進(jìn)后的激勵(lì)源頻譜純度大大提高，消除了激勵(lì)功率對信號(hào)功率的干擾.

圖9 舊激勵(lì)源的噪聲頻譜

為了研究新型等離子體天線在同時(shí)耦合激勵(lì)功率和信號(hào)功率情況下的噪聲干擾，用頻譜分析儀做了噪聲測試.在測試中，激勵(lì)功率采用35 W、頻率150 MHz的射頻激勵(lì)源，而發(fā)射信號(hào)采用0.5 W的400 MHz點(diǎn)頻源.將這兩路信號(hào)同時(shí)耦合進(jìn)等離子體天線以后，用頻譜分析儀來接收等離子體天線的發(fā)射頻譜，測試中設(shè)置頻譜儀接收帶寬為300～500 MHz，如圖10所示.

圖10 等離子體天線的發(fā)射頻譜

在圖10中，除了400 MHz的信號(hào)成分外，還出現(xiàn)了150 MHz激勵(lì)信號(hào)的三次諧波成分，以及發(fā)射信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)在激勵(lì)腔體中混頻產(chǎn)生的350 MHz高階交調(diào)成分. 而在350～450 MHz以內(nèi)，400 MHz接收信號(hào)附近則沒有出現(xiàn)由于激勵(lì)源功率造成的干擾成分，頻譜純凈.

4 討 論

在新型樣機(jī)測試中，等離子體天線在400 MHz頻段達(dá)到的最大增益接近1 dB，而原有樣機(jī)的最大增益可以達(dá)到2 dB以上.這主要是由于為降低天線風(fēng)阻而縮小了天線直徑，使得等離子體柱體的表面波激勵(lì)條件變差.此外，由于縮小了阻抗匹配裝置的體積，天線駐波比也從原來的1.5以下升高到2.0左右，也會(huì)影響增益指標(biāo).

新型樣機(jī)主要的性能改進(jìn)在于對天線噪聲的有效控制.圖10中，在400 MHz接收信號(hào)附近差不多100 MHz帶寬內(nèi)基本上沒有因?yàn)榧?lì)功率引入的雜波干擾.但是，由于新樣機(jī)在體積上做了很大的縮減，而相應(yīng)的濾波結(jié)構(gòu)還不夠完善，造成頻譜中仍有激勵(lì)源的高次諧波成分.

在工程化研制方面，今后還可以采用更加先進(jìn)的材料和工藝，進(jìn)一步降低等離子體天線組件的體積、質(zhì)量和功耗.例如，等離子體介質(zhì)腔體可以采用更加輕便結(jié)實(shí)的復(fù)合材料來取代目前形狀簡單而且易碎的玻璃材料，黃銅激勵(lì)腔體也可以設(shè)計(jì)得更加輕薄，而目前使用的鎳氫蓄電池組也可以用更加輕便的鋰電池組來代替.

5 結(jié) 論

等離子體天線在理論上具有低RCS、快速自重構(gòu)、超寬帶等性能優(yōu)勢.但是，由于等離子體天線的結(jié)構(gòu)比常規(guī)金屬天線復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、功耗和噪聲都比較大，而且原理樣機(jī)的體積、質(zhì)量大，性能不穩(wěn)定，存在增益和噪聲等技術(shù)瓶頸.因此，多年來等離子體天線的研究工作一直停留在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)階段，無法進(jìn)行各種實(shí)用性開發(fā).

本項(xiàng)研究是在中科院空間中心等離子體天線增益、噪聲等指標(biāo)取得突破的基礎(chǔ)上，首次根據(jù)實(shí)用化的需求研制輕量化的原理樣機(jī).通過對原有樣機(jī)各組成部分的優(yōu)化改進(jìn)，在天線增益基本滿足要求的前提下，不但使天線樣機(jī)的體積、質(zhì)量和功耗大大減小，而且有效解決了天線自身存在的等離子體激勵(lì)噪聲干擾問題.

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