等离子体天线输入阻抗测量及分析

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1、万方数据第57卷第7期2008年7月1000—3290，2008，57(07)／4292．06物理学报ACTAPHYSlCASlNICAV01．57，No．7，July，2008④2008Chin．PIlys．soc．等离子体天线输入阻抗测量及分析梁志伟孙海龙王之江徐杰徐跃民(巾围科学院空『日J科学与应用研究中心，北京lO0080)(2007年8H17日收到；2007年10，j18日收到修改稿)通过矢量网络分析仪测量了不同激励功率条件下柱形等离子体天线系统的输入阻抗随频率的变化关系。实验结果表明柱形等离子体天线

2、输入阻抗具有明显的谐振特性．结合放电管的等效电路模型与柱形等离子体天线输入电流特性，定性分析了等离子体天线输入阻抗变化与等离子体参数之间的关系．此种测量方法有助于等离子体天线动态重构特性的研究和实现快速阻抗匹配．关键词：等离子体天线，输入阻抗，表面波PACC：5270，5240D，5250D1．引言等离子体天线具有许多不同于传统金属天线的特性，如对天线的形状、频率、带宽、方向性及增益等的动态重构，特别是等离子体天线的快速开关特性，可以减少天线雷达散射截面，具有隐身效果，具有广阔的军事应用前景⋯．目前国内外对等离

3、子体天线的研究主要是针对不同等离子体参数条件下等离子体天线的色散关系、天线辐射方向图、效率及噪声等电参数，而对等离子体天线输入阻抗的研究则相对较少¨-7J．研究天线输入阻抗的目的不仅可以使传输线和天线达到匹配，提高传输效率，而且通过研究天线的输入阻抗随频率的变化关系，还可以确定天线的工作频带范围．因此对于等离子体天线的设计，研究其输入阻抗具有重要的实际意义．文献[2]在通过阻抗法测量等离子体天线效率过程中，测量了等离子体天线被外部屏蔽条件下15MHz，30MHz的输入阻抗大小，文献[5]通过解析求解得到了等离子

4、体天线辐射阻抗随天线长度的变化关系，文献[7]采用FDTD方法计算了等离子体天线输入阻抗在不同等离子体密度条件下随频率的变化关系．本文则通过矢量网络分析仪测量了不同激励功率条件下柱形等离子体天线系统的输入阻抗，参照金属导体的阻抗曲线，并结合放电管的等效电路模型与柱形等离子体天线输入电流特性，重点分析了其输入阻抗随频率的变化关系．2．物理背景2．1．柱形等离子体天线表面电流分布柱形非磁化密度均匀分布的等离子体色散关系¨o为￡，710_，l(r。口)Ko(死n)+r。Kl(％o)厶(丁，口)=O，(1)⋯2其中e，

5、=1一—广兰巳_弋为等离子体的介电常数，∞(￡，～叫一JVm，为自由空间电磁波的圆频率，御。为等离子体电子圆频率，焉=后；一I

6、I：，霉=后；一￡，蠡j，后，为等离子体中的波矢，是复数．，。，配为n阶Bessel函数，v。为碰撞频率，口为柱形等离子体半径，矗。为自由空间的波矢大小．单极柱形等离子体天线表面电流分布可以近似为，(z)：，0ej‘，2一，0ej‘一‘2h“，(2)其中，。为常数，z为柱形等离子体长度．由于尼。是复数，电磁波传输衰减受等离子体密度、碰撞频率等影响较大．当等离子体密度较高、碰撞频率较低时

7、，衰减系数很小接近于零，相位系数接近于真空中传输的波矢大小；当等离子体密度较低、碰撞频率较高时，相位系数和衰减系数均变大，电流幅度逐步减小，形成驻波和行波传输的混合波．2．2．等离子体天线输入电流天线的输入阻抗定义为天线输入端电压与电流万方数据7期梁志伟等：等离子体天线输入阻抗测量及分析的比值．因此有必要首先了解等离子体天线输入电流在不同等离子体参数条件下随频率的变化关系．等离子体天线输入电流可以表示为瓦=fo一，。∥r‘．(3)当等离子体密度较高，而碰撞频率较低时，输入电流振幅随频率呈现周期性变化．为了与实验

8、数据作对比，计算了不同等离子体密度条件下输入电流波谷点一次频率．厂l(此时A。=2L)、二次频率^(此时A。=．己)以及两者之差△，=五一^．计算中取等离子体半径Ⅱ=0．016m，天线长度f=2．5m．根据实验中充气气压和电子温度大小，计算得到碰撞频率v。约为1．5×108Hz．如图l所示，随着等离子体密度的增加，．厂l和4厂也逐渐变大．当等离子体密度n．>5×10”cm。时，等离子体天线输入电流的变化特性与金属基本相似．星毫＼糌蟋密度／1010cm3是本次实验的测量通道，其工作频段为HF／vHF频段．实验中设

9、计了专用的滤波器用于减少两个通道间的功率耦合。其中滤波电路1为中心频率150MHz带通滤波器，其带内差损小于0．5dB，带外抑制大于30dB(<125MHz)；滤波电路2为截止频率125MHz的低通滤波器，其带内差损小于0．3dB，带外抑制大于30dB(>140MHz)．为了使激励功率和信号功率最大限度耦合进等离子体柱，系统中设计了两套不同工作模式的匹配电路l和2．匹配电路l满足不同激