等离子鞭天线仿真分析

等离子体天线是一种将等离子体作为电磁辐射导向媒质的射频天线 。传统金属天线，尤其是天线阵列，重量和体积都相对较大，设计制作不灵活，天线的尺寸与其辐射效率密切相关，自重构性和适应性较差。等离子密度可调，等离子体天线长度可调，可以对天线性能进行较为灵活的控制。另外，等离子体天线在没有激发的状态下,雷达散射截面可以忽略不计，而天线仅在通信发送或接收的短时间内激发,提高了天线的隐蔽性;

利用改变离子密度来改变天线的瞬时带宽,且具有大的动态范围;等离子体谐振、阻抗以及电子密度均可重新调整，电离气体天线单元可以构造并组合成一个频率、波束宽度、功率、增益和方向性动态可调的序列,这些性质可广泛的应用于军事领域。因此，等离子体天线有着重要意义。金属天线与等离子体天线的相似性。本文通过CST仿真研究等离子体天线的结构参数，等离子体特性参数与天线电特性的关系，仿真结果可为设计等离子体天线提供有益的参考。

2 等离子天线的基本原理

等离子体是由大量的正离子与自由电子组成的集合体，宏观上近似呈电中性，且电离离子密度颇高，其运动主要受电磁力强弱的支配，并呈现出显著的群体行为。在普通的气体中，电离度达到0.1%，就已具有较为明显的等离子体特性。电离度达到1%时，就能达到与良导体类似的电导率。

等离子体的产生方式可分为：直流放电，高频放电和微波放电[6]。实验表明，只用直流偏压就可在管内快速地实现等离子体的形成和猝灭,从而实现天线的开关。当等离子体猝灭、天线关闭时,管内气体不具有传导性,从而对其它天线的方向图不会产生影响;当等离子体形成天线工作时,等离子体是电的良导体，可以用来传递无线电信号。

非磁化等离子体的特性参数可用如下几个式子来表达：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中P—工作气压: P = nkT，,k —玻耳兹曼常数。;ω —传输频率;ωp—等离子特征频率;ν —等离子体碰撞频率;ne—等离子体密度(cm-3);fpe—等离子体频率。由上述表达式中可看出，等离子体电特性主要由等离子体频率fpe和等离子体碰撞频率ν决定。

3 等离子体参数对天线特性的影响

图1为同轴线馈电等离子体天线的模型，天线主要结构为被一层玻璃管罩住的等离子体柱。玻璃管厚度d=2mm，等离子体半径a=5mm，等离子体长度L=160mm。仿真中设定等离子体在管内均匀。

图1 同轴线馈电的等离子体鞭天线模型

3.1 等离子碰撞频率对天线性能的影响

维持等离子体频率fp=900GHz不变，等离子体碰撞频率ν取5MHz，5GHz，10GHz。

图2 碰撞频率

=10GHz，5GHz，5MHz的|S11|图

图3 碰撞频率

对天线增益的影响

|S11|结果列于图2中，第一谐振频率f0=0.56GHz，碰撞频率ν变化对谐振频率取值没有影响，但随着碰撞频率ν减小，谐振深度增大。这说明碰撞频率ν越大，损耗越大。fp=900GHz，碰撞频率ν取5MHz、2GHz、4GHz、6GHz、8GHz、10GHz。在第一谐振频率下的天线增益结果列于图3，碰撞频率ν增大，等离子体鞭天线增益减小，辐射特性下降。说明等离子体碰撞频率越小，损耗越小，天线辐射性能越好。3.2 等离子体角频率对天线性能的影响

维持等离子体碰撞频率ν=5MHz不变，取等离子体频率fp=900GHz、600GHz、300GHz，|S11|结果列于图4中，第一谐振频率分别为0.56GHz、0.50GHz、0.39GHz。等离子体频率fp越大，第一谐振频率越大，谐振深度略微减小。这说明等离子体频率fp减小，导致天线电长度减小，从而第一谐振频率增大。

等离子体频率fp=900GHz、700GHz、500GHz、300GHz、100GHz。在第一谐振频率下的天线增益结果列于图5，等离子体频率fp增大，等离子体鞭天线增益也增大。天线辐射特性增强。

图4 fp=900GHz，600GHz，300GHz对应的|S11|图

图5 等离子体角频率对天线增益的影响

4 同轴线馈电等离子体天线与金属天线辐射特性对比

相同结构尺寸，把同轴线馈电等离子体天线模型中的等离子体材料换成有耗金属，即可得到相同模型的等离子体天线与金属天线的辐射特性对比结果。这里等离子体的参数取值为：等离子体频率fp=900GHz，等离子体碰撞频率ν=5MHz。有耗金属电导率取106S/m。

图6 等离子体和有耗金属对应的|S11|图

两种天线的|S11|结果列于图6中，对于各个谐振频点总体来说，等离子体天线比金属天线谐振频率校说明物理长度相同的情况下，等离子体天线的电长度更大。它们的第一谐振频率近似相同，分别为0.56GHz，0.59GHz。等离子体鞭天线的第一谐振频率深度更大。由第一谐振频率下两天线的辐射方向图知，两种天线的E面，H面