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1、国家 级大学生创新创业训练项目开 题 报 告项目名称： 对等离子体天线信号耦合系统 关键问题的研究 项目编号： 201410359058 项目负责人： 胡乐佳 项目组成员 ： 孙国彧、彭涣淋、陈伟 指导教师： 王春华 所在院系： 电子科学与应用物理学院 填报日期： 2014 年 6 月 22 日 合肥工业大学创新学院制 说 明1、 项目开题报告应按顺序逐项填写，空缺项要填“无” 。要求一律用 A4 纸正反页打印，于左侧装订成册。2、 项目开题报告中栏目“1 至 8”由学生填写，栏目“9”由教师填写，栏目“10”由学院负责人填写。3、 项目开题报告由所在学院审查、签署意见后，一式三份（均为原件）
2、 ，报送创新学院。项目名称 对等离子体天线信号耦合系统关键问题的研究基础研究 应用研究 开发研究 其 它项目类型（ 划“” ） 1、项目来源及选题依据等离子体天线是指使用被电离的惰性气体作为电磁能量传导介质的天线。等离子天线通过控制等离子体的形态和强度等参数可以对天线带宽、频率、增益和方向性等特性进行动态的重构。与传统的天线相比，等离子体天线其效率将更高、重量更轻、体积更小、尺寸更短、带宽更宽。由于等离子体天线采用气体形态传导介质，在外型和流体力学方面更具隐蔽性。很多国家都开展了等离子天线军事方面的研究，其重要科研及应用前景广阔。我们本次选择等离子体天线的信号耦合作为研究课题，旨在探索提高其信
3、号耦合系统通信质量的方案，并为后续研究实验提供试验设备基础与技术基础。接下来具体介绍等离子体天线的优势所在：首先，等离子体天线具有隐形性。等离子体天线在工作时,以充有低压易电离气体的玻璃管作为天线的振子单元，气体被电离,可以发射或接收无线电信号。当天线不工作时，相当于普通的玻璃管，其雷达反射面积极小,气体电阻无限大,不再与射频信号相互作用,此时等离子体天线不会向散射雷达信号,也不会吸收可降低电子对抗效能的高功率微波辐射,从而保证天线的隐身性，这对于需要进行隐身设计的飞机和舰船天线有重要意义。其次，相较于传统天线，等离子体天线具有低噪声的优势。等离子体天线在发射一个脉冲信号后,可以去电离,这消除
4、了传统天线中的阻尼振荡。传统的金属天线往往辅之以复杂的信号处理系统,用于减小阻尼振荡和相应噪声。等离子体天线无阻尼振荡和低噪声的特点,提高了信号精度,降低了对信号处理系统的要求,这在脉冲雷达及高速数据通讯等前沿技术中至关重要。第三，灵活的方向性为等离子体天线的应用开拓了新的领域。等离子可在一个方向上生成,之后通过离子复合湮灭,并在另一个方向上瞬间产生。这使天线波束在一定时间内改变方向,具体时间取决于等离子体生成、湮灭的时长(典型时长10s)。因此,等离子体天线拥有更灵活的方向性。等离子体天线更多的优点还包括:非阻尼振荡天线提供了更高的信噪比,减少了多路信号失真;等离子密度的改变将引起带宽在较宽
5、范围内的动态改;气体弱电离时,等离子体天线与邻近的高频发射机不产生耦合;相比于传统机械天线结构,等离子体天线可以在没有活动部件的情况下,以更高的速度进行圆形扫描;数学上已证实,通过选择气体种类和改变离子密度,等离子体天线的电孔径可等同于更大物理尺寸的金属天线的性能;等离子共振,阻抗和电子电荷密度都可以动态重构;由电离气体天线单元构造的天线阵列对频率、带宽、功率、增益、极化和方向性均可动态重构;一个动态的天线结构可以使用时分多路制,多个射频子系统可以分享该天线资源,从而减小天线的数目和尺寸。由于其优异的性能，各国争先将其作为重点研发项目。国外对此已作深入研究,并已有实用装置应用于实战。总结前人的
6、经验，我们发现制约等离子天线的一个重要因素是等离子体的趋肤深度，且趋肤深度受等离子体的介电常数的影响。但是，由于等离子体的介电常数受着温度、压强、气体种类等众多参数的影响，所以天线的体积和结构很不好控制，天线的体积较大。我国目前虽然已经研发出用于实战的装置，但是天线的体积比较庞大，很难应用于实际。因此，我们计划通过该项目的研究对现有的等离子体天线进行优化，通过对等离子体半波振子的仿真，分析等离子体和等离子体半波振子天线的基本性质，包括等离子体半波振子天线的辐射性能、隐身性能和等离子体对电磁波的反射和吸收作用，加强控制影响等离子体介电常数的各类参数，选择合适气体和恰当的等离子天线的激励方式并控制
7、天线最佳谐振长度，使天线体积缩小，同时加强其信号耦合系统的通信质量，增强实际通信的应用功能，并为投入实际应用打下理论基础。2、选题过程中已经阅读的文献资料，以及各项准备工作（如计算、实验等）已阅读的文献资料：1 李凯丽；梁庭；洪应平；杨芳；秦丽；熊继军；无线耦合信号传输天线的设计和阻抗匹配J；电视技术；2013 年 05 期2 美 Anderson .Plasma Antennas 等离子体天线M.美国 Artech 出版社，2011.3 杨华,等. 电磁波在磁化等离子体上的反射特性研究J . 电波科学学报,2001 , 16 (2) :1962199.4 陈心中,徐润君,等. 发展中的军用等
8、离子体技术J .物理与工程,2002 ,12 (4) :37242.5 刘良涛，祝大军，刘盛刚.等离子体天线的原理与设计.电子科技大学物理电子学院，四川成都 610054.我们根据国内外其他对等离子天线有研究的团队所提供的数据进行了一些简单地理论分析和数据计算，得到了以下理论计算结果。一、等离子天线的长度对于频率为 的入射电磁波, 在等离子体中, 其相对介电常数为： （1）式( 1) 中, 为等离子体角频率, 为碰撞频率。其中 。 为等离子体中的电子密度, e 为电子电量, 为真空中的介电常数, 为电子的质量。等离子体频率 与等离子体中的电子密度 有关。当等离子体处于稳态时, 放电管中每单位长
9、度等离子体从表面波中所吸收的功率, 与该处单位长度等离子体中的电子-离子对以 Bohm 速度向管壁迁移、复合而损耗掉的功率相等。根据这一关系, 可得到放电管内激励功率耦合器处的等离子体电子密度为：(2)式中 为激励波的有效功率, 对于给定的气体和气压, A ( p ) 为常数。等离子体天线的长度 h 为：(3)其中中 ，对于给定的气体和气压, 对于给定的气体和气压,是一个常数。通常, h 的情况下, (3) 式可以写成：(4)其中 。由上式可见 ,在给定压强下 ,天线长度与所加射频功率的平方根成正比。因此 , 对于给定的压强 ,通过改变所加射频功率 ,可改变天线谐振长度 。二、等离子天线的趋肤
10、深度。假设单极柱形等离子体天线垂直立于无限大导电平面上,等离子体密度分布均匀。天线底部由电压等于角频率为 的片状源激励,天线中心位于坐标的原点,天线轴和z 轴重合。对于各向同性的低温等离子体,电导率 。当入射电磁波频率小于等离子体频率时,趋肤深度可以表示为:式中,C 为光速。由于趋肤效应,高频下仅在导体表面薄层内有电流通过,因此等离子体天线单位内阻抗可以表示为:上式中等离子体天线中实部与频率基本无关,虚部为正值,因此可以将密度均匀分布的等离子体天线等效为均匀阻感加载的天线。通过上面的分析还可以看出, 等离子体频率 除了与压强以及激励信号的功率和频率等因素有关，还与气体的种类有关。由于实验数据的
11、缺失，气体种类对等离子体频率的影响我们还不太清楚，但其他机构的实验证明当电子能量较小时, 在相同的压力下, 氩的碰撞频率较小, 且氩的电离能较氦、氢和氮小, 对于相同的功耗, 氩更易电离, 因此氩是一种较理想的工作气体。我们实验的惰性气体介质管可以选取氩气作为填充气体。通过已经阅读的文献，我们依据无线通信技术设计了研究实验方案。通过车载电台与等离子体天线之间实现双工通信为实验基础，从信号耦合方式入手，着力改善通信信号质量，在实验的六个信道模式中分别调试，得出最佳工作点，并记录数据。3、国内外同类课题研究现状国外研究概况及发展动态美国，俄罗斯，法国等国家在等离子体天线方面研究较早，因此在此方面处
12、于世界领先水平。特别是近几年，由于美国等军事强国强烈的军事需求，等离子体隐身方面的研究工作已经进行得如火如荼，相关的技术有望逐步转化为军品的生产。美国和澳大利亚等国已经申请了众多的等离子体隐身专利1，并成立了专门等离子体隐身天线的公司或专门的分公司, 已有实用装置用于实战。美国 Tennessee 大学自 20 世纪 90 年代中期,开展了隐身等离子体天线的研究工作,主要包括等离子体辐射窗天线、低雷达截面的振子天线及其阵列的理论和相关的可行性实验验证研究。l998 年,美国 Tennessee 大学成功的开发出了一种采用充满电离的惰性气体 U 形放电管的等离子体天线2。天线工作时,电极通过气体
13、放电将其中气体电离,形成等离子体,可以发挥普通金属天线类似的作用,而不用或需要隐蔽时,只要将天线基部的金属电极关闭,其中的惰性气体马上恢复到正常状态而成为绝缘体,此时天线即成为普通介质材料,敌方雷达难以发现。最新实验结果表明,该天线在l00MHz-lGHz 内与同一配置的金属天线效果大致相同,两者发射和接收的噪声电平相当。目前,美国海军正在研究一种可装在潜望镜上、并能快速装拆的小型等离子体天线,可将其用于接收 1GHz-45GHz 频率范围的无线电信号。澳大利亚国立大学研制成一种单极表面波驱动的等离子体隐身天线,在战场等特殊作战环境下,它具有不易被敌方雷达探测到的优点。该等离子体天线与常规天线
14、相比,节省了大量的金属材料。法国航空航天研究院研制成全隐身的等离子体雷达天线,它较常规雷达天线在性能及分辨率上有较大的提高。该雷达天线用等离子体平面天线替代传统的平板式和抛物线天线,此种等离子体平面反射器开辟了提高雷达天线性能并采用新颖工作机理的新途径。雷达启动 10 秒内便可形成等离子体平面天线,它较常规的二极管移相器式平板天线的开关速度快得多。法国海军则将其用于对远程超音速反舰导弹的防御。国内研究概况及发展动态2002 年,我国把等离子体隐身技术研究列为国家重大基础研究和国家自然科学基金重大项目的研究内容之一。大连海事大学环境工程研究所开展了用于飞行器的强电离非平衡等离子体隐身方法研究3,
15、着重研究了等离子体临界电子密度、电子等离子体频率等参数对电磁波的折射、吸收、反射的影响。该等离子体器件是一个很薄的组合件,仅有百余克重,可贴附在电磁波强散射部位和进气道壁上。此方法具有吸收频带宽、吸收率高等特点,有望成为机载微型等离子体产生器件。电子科技大学高能电子所开展了微波等离子体应用基础研究设备的研究,已研制成多功能、多用途、计算机控制的大型微波等离子体应用与诊断设备4。适用于非平衡等离子体的复合诊断,为开展微波等离子体的生成机理,微波等离子体与物质相互作用机理的深入研究等提供了极为重要的手段。解放军信息工程大学正在研究等离子体有源透镜天线5。所谓等离子体有源天线,是基于大气击穿理论,利用多波束合成技术,控制地面高功率微波(HPM)阵列在空间形成特定结构形状的大气电离云,使其具有许多类似天线的特性和功能。等离子体有源透镜天线的工作原理是利用足够高的 HPM 微波能与大气的非线性作用,在开放大气环境中的特定区域聚焦,使聚焦区域大气受激发产生高强度的电离反应,并形成相对稳定的具有特定结构和形状的等离子体,构成透镜天线。总结：从现有的资料来看,等离子体天线技术已引起国内外电子对抗、飞行器隐身、雷达和天线设计等行业专家的广泛关注,重点在等离子体天线的隐身应用方面。可以预见,在未来的高科技战争中,随着对制电磁权的争夺越发激烈,对等离子体天线
