等離子體天線開啟時(shí)間光—電時(shí)差測(cè)量方法

倪雨薇　周玉林　郭曉亮　田坤猛　常勇猛　趙建森

【摘 要】等離子體天線開啟時(shí)間測(cè)量是當(dāng)今研究的難點(diǎn)之一，實(shí)驗(yàn)將發(fā)射光譜信號(hào)引入到輝光放電等離子體天線開啟時(shí)間測(cè)量當(dāng)中，利用原位光譜探測(cè)技術(shù)將等離子體所發(fā)出的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為具有相同時(shí)間特性的電信號(hào)，并將該電信號(hào)建立的初始時(shí)刻與等離子體天線激勵(lì)電信號(hào)產(chǎn)生的初始時(shí)刻進(jìn)行比較，根據(jù)等離子體光信號(hào)與激勵(lì)電壓信號(hào)的時(shí)間差測(cè)出輝光等離子體天線的開啟時(shí)間，該方法稱為“光-電時(shí)差法”，可避免探針測(cè)量等離子體天線開啟時(shí)對(duì)等離子體和通信信號(hào)產(chǎn)生的交互干擾，提高了測(cè)量精度。

【關(guān)鍵詞】等離子體；天線；開啟時(shí)間；光電時(shí)差

【Abstract】A method estimating the switch-on time of glow plasma antennas is introduced.Two channels are established，one is used for gathering optical signals of plasma，the other for exciting signals of power supply.The optical signals are converted into electrical signals of same time characteristics by technology of the In-situ spectroscopic detection.The switch-on time is obtained by calculating the time difference of the exciting and electrical signals.

【Key words】Plasma；Antenna；Switch-on time；Light-electricity time difference

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代化軍事戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器裝備的要求越來(lái)越高，若想滿足武器裝備強(qiáng)大的生命力，就必須有先進(jìn)的隱身技術(shù)作為支持。但傳統(tǒng)金屬天線由于存在較大的雷達(dá)散射截面（RCS）而難以實(shí)現(xiàn)隱身。近幾十年，研究者們提出利用等離子體代替金屬制作天線進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射與接收這一想法引起越來(lái)越多的關(guān)注。等離子體是由大量相互作用的電子、離子、中性粒子和自由基等組成的且在宏觀上表現(xiàn)為近似電中性的非凝聚系統(tǒng)。隨著等離子體科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，等離子體在冶金、切割和表面改性等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

由氣體放電產(chǎn)生的等離子體應(yīng)用也逐漸深入到軍事通信領(lǐng)域。等離子體天線是依據(jù)等離子體的導(dǎo)電特性用氣體放電產(chǎn)生的等離子體代替金屬進(jìn)行電磁波發(fā)射和接收的一種射頻天線[1]，該天線具有許多獨(dú)特性質(zhì)。當(dāng)不需要天線工作時(shí)，關(guān)閉等離子體天線的激勵(lì)源，原等離子體天線就會(huì)變成絕緣腔體，雷達(dá)探測(cè)信號(hào)可以直接穿過(guò)絕緣腔體而不被反射，因此RCS大大降低，根據(jù)這一原理可以實(shí)現(xiàn)隱身。同時(shí)等離子體天線還具有可重構(gòu)能力強(qiáng)、天線陣列設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1]。

由于等離子體天線潛在的應(yīng)用價(jià)值，國(guó)內(nèi)外研究者展開了較為深入的研究。Kumar[2-3]等人研究了可重構(gòu)等離子體天線，指出通過(guò)改變放電狀態(tài)可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)等離子體天線內(nèi)部形狀為柱形、螺旋形及柱形陣列等；Russo[4-5]等人研究了利用波導(dǎo)激勵(lì)產(chǎn)生等離子體作為等離子體天線并研究其特性；Belyaev[6]等人研究了等離子體振子的非線性效應(yīng)；張芝濤[7]等人研究了等離子體天線與入射電磁波之間的相互作用；端木剛、徐躍民[8]等利用FDTD法計(jì)算研究了柱形等離子體天線的特性；時(shí)家明、黃方意[9]等理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了基于等離子體的定向天線陣；李學(xué)識(shí)、胡斌杰[10]等利用FDTD方法分析了等離子體參量均勻和非均勻分布的磁化等離子體天線。

本文依據(jù)等離子體受激發(fā)光的技術(shù)原理，利用原位光譜探測(cè)技術(shù)將放電等離子體發(fā)射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有相同時(shí)間特征的電信號(hào)，并將該電信號(hào)建立的初始時(shí)刻與等離子體天線激勵(lì)電源電壓信號(hào)的施加時(shí)刻比較，進(jìn)而利用光信號(hào)與激勵(lì)電壓信號(hào)的時(shí)間差獲得開啟時(shí)間，稱為“光-電時(shí)差法”。

1 測(cè)量原理與系統(tǒng)

1.1 測(cè)量原理

在輝光等離子體天線系統(tǒng)中，當(dāng)開啟激勵(lì)源時(shí)，原子受激發(fā)產(chǎn)生電子，等離子體的激發(fā)物種躍遷到低能態(tài)時(shí)會(huì)輻射出光，據(jù)此可以獲得發(fā)射光譜。當(dāng)然，氣體原子電離的方式有很多種，原子受激發(fā)和電離的過(guò)程可以由以下表達(dá)式表示：

1.2 測(cè)量系統(tǒng)

根據(jù)輝光放電等離子體天線開啟時(shí)間測(cè)量原理，天線開啟時(shí)間測(cè)量裝置原理示意圖如圖1所示。選取直流、工頻交流、kHz級(jí)交流和MHz及交流源作為等離子體天線激勵(lì)源。由于各激勵(lì)源激勵(lì)方式不同，圖1（a）所示的在直流和低頻交流激勵(lì)源激勵(lì)條件下等離子體天線開啟時(shí)間測(cè)量原理示意圖，放電管兩端激勵(lì)采用直連式，高壓端連接示波器端口1，中間接入高壓分壓器以保護(hù)示波器端口1免受損壞，該通道稱為“激勵(lì)電信號(hào)采集通道”。示波器端口2與光電倍增管相連接，光電倍增管用于將等離子體發(fā)射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳入示波器進(jìn)行分析，為調(diào)節(jié)光-電信號(hào)強(qiáng)度，示波器與光電倍增管之間連接調(diào)壓器，該通道稱為“光-電信號(hào)采集通道”。圖1（b）所示利用高頻激勵(lì)源激勵(lì)等離子體天線開啟時(shí)間測(cè)量示意圖，其與（a）大致相同，主要區(qū)別在于激勵(lì)模式，高頻等離子體天線這里采用電感耦合模式進(jìn)行激勵(lì)。接激勵(lì)源的線圈端連接示波器端口1，示波器與電感線圈之間連接帶阻濾波器，在10-50MHz頻段內(nèi)衰減約-60dB，用以保護(hù)示波器端口1，示波器端口2的連接方式與圖1（a）一樣。為減小測(cè)量誤差，光電信號(hào)采集通道與激勵(lì)電信號(hào)采集通道長(zhǎng)度相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 直流與低頻交流等離子體天線測(cè)試結(jié)果

根據(jù)等離子體天線激勵(lì)模式的不同，直流與低頻交流激勵(lì)模式均采用直連式激勵(lì)方法，而高頻MHz量級(jí)交流激勵(lì)下的等離子體天線采用電感耦合激勵(lì)模式。根據(jù)圖1（a）的實(shí)驗(yàn)裝置所示，示波器的兩個(gè)通道分別接入光電倍增管和高壓電源激勵(lì)端。圖3所示的是利用光電時(shí)差法測(cè)量10kHz交流激勵(lì)的輝光等離子體天線開啟時(shí)間，圖中第一行的波形表示的是利用示波器接收到由光電倍增管采集到的光電信號(hào)，下面一行的波形表示的是由示波器采集到的激勵(lì)電源的電信號(hào)。天線放電管長(zhǎng)度為80cm，填充氣體為Ne，放電功率為3W，光電倍增管光纖探頭距離放電管1cm，從激勵(lì)電源起始時(shí)刻到穩(wěn)定光-電信號(hào)產(chǎn)生時(shí)刻之間的時(shí)間差約為1ms，即等離子體天線的開啟時(shí)間為1ms，如圖2所示。對(duì)等離子體天線開啟時(shí)間測(cè)量結(jié)果中涵蓋了放電信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)間，等離子體激勵(lì)電源響應(yīng)延遲等影響等離子體天線開啟時(shí)間關(guān)鍵因素。

圖3所示的是利用光-電時(shí)差法測(cè)量50Hz交流輝光等離子體天線開啟時(shí)間結(jié)果，放電管仍與圖2相同，交流放電功率為1W。激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生到等離子體光信號(hào)產(chǎn)生時(shí)刻的時(shí)間間隔約為0.7ms，到較為穩(wěn)定的光信號(hào)時(shí)間間隔約為2ms。

2.2 高頻交流等離子體天線測(cè)試結(jié)果

與直流和低頻交流激勵(lì)方式不同，高頻交流等離子體天線的激勵(lì)方式通常采用單端口激勵(lì)。根據(jù)圖1（b）的測(cè)量裝置，高頻交流激勵(lì)源采用的是13.56，27.12和40.68MHz交流源，采用線圈裹附在放電管周圍，線圈一端接激勵(lì)源功率輸出端，另一端接地。示波器端口1連接電感線圈非接地端，中間連接帶通濾波器以保護(hù)示波器不受高功率損壞，示波器端口2連接光電倍增管。圖4所示的是在40.68MHz交流激勵(lì)條件下，利用光-電時(shí)差法測(cè)量輝光放電等離子體天線開啟時(shí)間。等離子體天線放電管與測(cè)量直流、低頻交流等離子天線所用的放電管尺寸相同，管內(nèi)充稀有氣體Ne，氣壓為20Pa，放電功率為3W。與直流和50Hz交流激勵(lì)的輝光等離子體天線測(cè)量結(jié)果不同，40.68MHz交流激勵(lì)下的光電信號(hào)較為穩(wěn)定，利用光-電時(shí)差測(cè)量高頻交流等離子體天線的開啟時(shí)間約為300ns。

2.3 影響因素

等離子體天線開啟時(shí)間測(cè)試結(jié)果受許多因素影響，如等離子體激勵(lì)電源響應(yīng)時(shí)間、激勵(lì)電壓信號(hào)產(chǎn)生到等離子體產(chǎn)生之間的時(shí)間延遲和從等離子體產(chǎn)生到等離子體狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間延遲等等。其中等離子體激勵(lì)電源響應(yīng)時(shí)間受等離子體激勵(lì)源本身狀態(tài)影響。

圖5所示的是不同功率下，利用光-電時(shí)差測(cè)量10kHz低頻交流等離子體天線開啟時(shí)間結(jié)果。放電管長(zhǎng)1m，外徑12mm，內(nèi)徑10 mm，充入氣體為Ar和汞的混合物，氣壓為300Pa，放電功率可調(diào)范圍為1-10 W，測(cè)量次數(shù)為8次，測(cè)量結(jié)果的均方根誤差可以用下式表示：

其中隨放電功率從0.8W增加到2W，等離子體天線開啟時(shí)間測(cè)量值急劇縮短，當(dāng)放電功率低于2W時(shí)，測(cè)量誤差非常大，數(shù)據(jù)重復(fù)率很低。隨放電功率進(jìn)一步增加，天線開啟時(shí)間下降范圍越來(lái)越小，放電功率超過(guò)6W時(shí)，放電功率的增加對(duì)開啟時(shí)間的測(cè)量結(jié)果影響不大，而且測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)的可重復(fù)性越來(lái)越高，誤差越來(lái)越小。

3 結(jié)論

利用光-電時(shí)差法測(cè)量輝光放電等離子體天線開啟時(shí)間，該方法結(jié)合了示波器觸發(fā)和中性粒子受激發(fā)光原理，避免了探針或場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)量對(duì)等離子體內(nèi)部參量造成的干擾。從激勵(lì)電源出現(xiàn)至穩(wěn)定等離子體光信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間差為微秒至毫秒量級(jí)，即天線的開啟時(shí)間。該時(shí)間受激勵(lì)功率影響很大，當(dāng)激勵(lì)功率在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，開啟時(shí)間急劇縮短，隨放電功率繼續(xù)增大，開啟時(shí)間縮短速度減慢，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。且隨放電功率增加，開啟時(shí)間測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性大大增加，測(cè)量誤差降低。該方法有利于測(cè)量產(chǎn)生高電子密度的輝光等離子體天線開啟時(shí)間，為等離子體天線的發(fā)展提供一種新的評(píng)價(jià)參量。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Rayner J.P.，Whichello A.P.，Cheetham A.D.Physical characteristics of plasma antennas[J].IEEE Trans.Plasma Sci.，2004，32（1）：269-281.

[2]Kumar R.，Bora D.Experimental study of parameters of a plasma antenna[J]. Plasma Sci.Technol.，2010，12（5）：592-600.

[3]Kumar R.，Bora D.Wireless communication capability of a reconfigurable plasma antenna[J].J.Appl.Phys.，2011，109（6）：063353-1-063353-9.

[4]Russo P.，Cerri G.，Vecchioni E.Self-consistent analysis of cylindrical plasma antennas[J].IEEE Trans.Antennas Propag.，2011，59（5）：31-34.

[5]Russo P.，Cerri G.，Vecchioni E.Experimental characterization of a surfaguide fed plasma antenna[J].IEEE Trans.Antennas Propag.，2011，59（5）：425-433.

[6]Belyaev B.A.，Leksikov A.A.，Leksikov A.A.，et al.Nonlinear Behavior of Plasma Antenna Vibrator[J].IEEE Trans.Plasma Sci.，2014，42（6）：1552-1559.

[7]Zhang Z.T.，Zhao J.S.，Xu X.W.，et al.Experimental Study on the Interaction of Electromagnetic Waves and Glow Plasma[J].Plasma Sci.Technol.，2011，13（3）：279-285.

[8]Duanmu Gang， Zhao Changming，Liang Chao，et al.Dual-channel communication of column plasma antenna excited by a surface wave-actualization and simulation of radiation pattern[J].Plasma Sci.Technol.，2015，17（1）：37-40.

[9]黃方意，時(shí)家明，袁忠才等.基于等離子體的定向天線陣?yán)碚撆c實(shí)驗(yàn)研究[J].物理學(xué)報(bào)，2013，62（15）：155，201-1-8.

Huang Fangyi，Shi Jiaming，Yuan Zhongcai et al.Theoretical and experimental study of plasma directional antenna array[J].Acta Phys.Sin.，2013，62（15）：155201-1-8.

[10]Li X.S.，Hu B.J.FDTD analysis of a magneto-plasma antenna with uniform or non-uniform distribution[J].IEEE Antenn.Wirel.Propag.Let.，2010，9：175-178.

[責(zé)任編輯：田吉捷]