表面波激励等离子天线辐射方向图重构方法研究

　　基于Boltzmann方程和天线理论建立了表面波激励等离子天线辐射方向图重构模型。研究了等离子天线的色散关系，仿真分析了等离子体密度对波矢量的影响以及折射率对等离子天线辐射方向图的影响。搭建了表面波激励等离子天线试验系统，采用旋转天线测量法对等离子天线阵的辐射方向图进行了测量。仿真及实验结果表明：等离子天线辐射方向图重构模型可以用于等离子天线方向图重构特性的研究与分析，表面波激励等离子天线能够在外界激励信号的控制下实现辐射方向图的动态重构。

　　等离子天线(PlasmaAntenna)是用电离的惰性气体代替金属作为电磁辐射导向媒质的射频天线。等离子天线可以通过动态的激发等离子体来调整等离子体电参数，从而导致天线的方向图、带宽、增益等性能在较宽范围内动态改变。相比于传统金属天线阵列，等离子天线可以通过电控高速地进行辐射方向图扫描。因此，等离子体天线具有灵活的可重构性能和快速的动态调整能力。

　　等离子天线独特的可重构性能使其逐渐成为国内外学者争先研究的热点。GerardG.Borg指出等离子柱能够代替金属天线作为通信天线使用，并且其表面电流分布能够通过等离子体密度来控制。JohnPhillipRayner等建立了等离子天线理论模型，并进行了相关实验，研究了等离子天线的电导率对等离子天线辐射方向图的影响。PaolaRusso建立了弱气体电离自洽模型，描述了电子分布函数的空间进化过程，描述了气压、频率和激励功率等是如何影响等离子体状态的。

　　国内学者从20世纪90年代开始对等离子体天线研究。赵国伟等参照金属天线理论，应用数值计算的方法在简化条件下计算了等离子体行、驻波条件下等离子天线辐射方向图，分析了等离子体密度的辐射方向图的影响。梁志伟基于矩量法计算了密度均匀分布的柱形等离子体天线表面电流分布、辐射方向图、输入阻抗等天线参数，证明了等离子天线具有与金属天线类似的辐射特性，并且可以实现天线性能的动态重构。李学识建立了非磁化等离子体天线分析的直接积分运用时域有限差分法(DI-FDTD)数值模型和磁化等离子天线分析的分段线性卷积FDTD模型，研究了等离子天线阵列的方向图的可重构性。钱志华运用时域有限差分法和矩量法等数值模拟方法从理论上研究二维圆柱体等离子体天线的辐射与散射特性。

　　本文采用软件仿真与实验验证相结合的方法对等离子天线方向图的可重构性能进行研究。建立等离子天线方向图重构模型，对等离子天线辐射方向图的重构特性进行仿真研究。搭建了基于单极表面波激励的等离子天线实验系统，对重构模型的正确性进行验证。

1、等离子天线辐射方向图重构模型

　　电磁波在介质中传播的相位为U(t)=Xt+Bz+U0，其中Xt项表示相位以角频率X随时间t线性变化，称为时间相位；Bz项表示相位随空间坐标z线性变化，称为空间相位，B为相位常数，表示单位距离内相位的变化量；U0项为z=0处在t=0时刻的初始相位。相控阵雷达的实质是改变馈入信号的初始相位U0，进而达到改变U(t)的目的。本文着手于通过改变信号的相位常数B来改变信号的空间相位Bz，进而达到改变U(t)的目的，最终实现辐射方向图的重构。等离子天线辐射方向图重构原理框图如1所示。

图1 等离子天线辐射方向图重构原理框图

　　如图1所示，首先，基于Boltzmann方程建立外界激励与等离子体电参数之间的关系；然后，研究等离子体色散关系，得到等离子体电参数与波矢量之间的关系；根据天线理论，建立起波矢量与方向性函数之间的关系，最终建立起等离子天线辐射方向图重构模型。

4、结论

　　本文通过仿真和实验方法对等离子天线辐射方向图动态重构进行了研究，结论如下：

　　(1)对等离子天线辐射方向图重构模型进行了仿真，仿真结果表明：通过改变外界激励功率可以改变等离子体的介电常数、电导率、磁导率等电参数，这些电参数的改变导致电磁波在等离子体中传播的相位常数发生改变，从而使得等离子天线表面电流分布发生改变，最终使得等离子天线辐射方向图发生了变化，这说明等离子天线辐射方向图动态重构存在可行性。

　　(2)基于单极表面波激励等离子天线实验系统进行了实验，一方面证明了等离子天线辐射方向图重构模型的正确性，另一方面也证实了通过控制外界激励信号可以实现等离子天线辐射方向图的动态重构。