CN109168244A - 一种基于等离子体天线的电离腔体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于等离子体天线的电离腔体的制备方法，等离子天线包括：耦合腔体(2)和电离腔体(1)；所述电离腔体(1)是容纳有低压惰性气体的两端封闭的空心柱状的绝缘介质腔体；耦合腔体(2)是用于固定电离腔体(1)；其包括：步骤1)获取电离腔体的几何参数；所述几何参数包括：电离腔体的内径，电离腔体的外壁厚度、电离腔体的长度；步骤2)获取电离腔体内填充的惰性气体的气体参数；所述气体参数包括：惰性气体的气体压强和气体种类；步骤3)获取电离腔体的射频参数；所述射频参数包括：激励功率和信号频率；步骤4)根据步骤1)‑步骤3)获得的几何参数、气体参数、射频参数，获得电离腔体。

Description

一种基于等离子体天线的电离腔体的制备方法
技术领域
本发明属于等离子体天线技术领域，具体涉及一种基于等离子体天线的电离腔体的制备方法。
背景技术
等离子体天线技术是通过电离封闭在介质腔体中的惰性气体产生高密度的等离子体，利用等离子体的导电性来模拟金属天线。
等离子体天线的原理虽然并不复杂，而且也比较容易做出原理样机。但是，根据等离子体天线基本原理做出来的原理样机通常增益非常低，通常比金属天线低20分贝以上，不具有实用价值。因为天线最基本的性能是增益，即使在阻抗匹配的前提下，等离子体天线的增益也很难实现与普通金属天线相同或者相近的水平。因此，虽然经过多年的研究，等离子体天线至今没有得到实际应用。
针对等离子体天线的增益问题，是等离子体天线研制过程中的第一个主要技术瓶颈，只有实现了与金属天线相似的理想增益性能，才能称之为真正合格的等离子体天线。而现有技术中，等离子体天线的增益性能取决于电离腔体(1)，只有具有合适设计参数(配方)的电离腔体，才有可能实现理想的等离子体天线增益；因此，为了使等离子体天线的增益达到与金属天线相同的增益，关键是满足合适的介质电离腔体设计参数。但是，现有技术中并没有公开如何制备一个合适的介质电离腔体，且现有技术中的等离子体天线的增益无法达到和金属天线相同的增益。目前，以往国内外公开发表的等离子体天线电离腔体设计往往只是定性的说明，而且由于等离子体相关理论的复杂性也难以进行定量的分析或者计算。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有等离子体天线增益性能差，无法达到和金属天线相同的增益的缺陷，本发明提出了一种基于等离子体天线的电离腔体的制备方法，能够实现与金属天线相同的天线增益性能；等离子天线包括：耦合腔体和电离腔体；电离腔体是容纳有低压惰性气体的两端封闭的空心柱状的绝缘介质腔体，耦合腔体是用于在底部固定电离腔体；该方法具体包括：
步骤1)获取电离腔体的几何参数；所述几何参数包括：电离腔体的内径，电离腔体的外壁厚度、电离腔体的长度；
步骤2)获取电离腔体内填充的惰性气体的气体参数；所述气体参数包括：惰性气体的气体压强和气体种类；
步骤3)获取电离腔体的射频参数；所述射频参数包括：激励功率和信号频率；
步骤4)根据步骤1)-步骤3)获得的几何参数、气体参数、射频参数，获得电离腔体。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤1)中，所述几何参数具体为：
所述电离腔体的内径为12-18mm，电离腔体的外壁厚度为0.5-1mm；电离腔体的长度为40-100mm，优选为40-60mm，适用于100-500MHz的工作频率，其工作频率越高，则电离腔体的管长越短；如果需要等离子体天线具有自重构功能，通过改变激励功率进而改变工作频率，则电离腔体的长度也相应的改变；具体地，减小激励功率，进而减小工作频率，则电离腔体的长度增加。
作为上述技术方案的改进之一，所述气体参数具体为：
所述惰性气体的气体种类为纯氩气，不掺杂其他气体或杂质；电离腔体内的气体压强为18-22Pa。
作为上述技术方案的改进之一，所述射频参数具体为：
所述信号频率为100-500MHz；所述激励功率不小于25-30W，激励功率过低并低于25-30W，则无法达到所需要等离子体电力密度。
作为上述技术方案的改进之一，所述电离腔体采用不导电的绝缘材质制成，绝缘材质具有良好的透射性能，可以透明或不透明，例如，玻璃或树脂材料。
作为上述技术方案的改进之一，所述耦合腔体包括：激励端口和信号端口；激励端口为电离腔体提供射频激励功率，在电离腔体内激发等离子体柱形成等离子体天线；其中，激励端口的激励功率，即输入功率，用于电离密封在介质电离腔体内的惰性气体，从而形成具有导电性能的等离子体圆柱、起到与同样形状金属圆柱天线相同的作用；信号端口用于向等离子体天线耦合射频信号，与普通金属天线的信号收、发端口相同。
本发明的优点在于：
采用本发明的方法制成的电离腔体与耦合腔体组成的等离子体天线，在等离子体天线正常工作时，能实现具有等同于普通金属天线理想增益性能。
附图说明
图1是本发明的一种基于等离子体天线的电离腔体的制备方法的流程图；
图2是采用本发明的一种基于等离子体天线的电离腔体的制备方法制成的电离腔体与耦合腔体组成的等离子天线的结构示意图；
图3是本发明的等离子体天线与金属天线的增益对比图。
附图标记：
1、电离腔体 2、耦合腔体
3、信号端口 4、激励端口
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1和2所示，本发明提出了一种基于等离子体天线的电离腔体的制备方法，能够实现与金属天线相同的天线增益性能；等离子天线包括：耦合腔体2和电离腔体1；电离腔体1是容纳有低压惰性气体的两端封闭的空心柱状的绝缘介质腔体，耦合腔体2是用于在底部固定电离腔体；该方法具体包括：
步骤1)获取电离腔体的几何参数；所述几何参数包括：电离腔体的内径，电离腔体的外壁厚度、电离腔体的长度；
步骤2)获取电离腔体内填充的惰性气体的气体参数；所述气体参数包括：惰性气体的气体压强和气体种类；
步骤3)获取电离腔体的射频参数；所述射频参数包括：激励功率和信号频率；
步骤4)根据步骤1)-步骤3)获得的几何参数、气体参数、射频参数，获得电离腔体。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤1)中，所述几何参数具体为：
所述电离腔体的内径为15mm，电离腔体的外壁厚度为0.5-1mm；电离腔体的长度为40-100mm，优选为40-60mm，适用于100-500MHz的工作频率，其工作频率越高，则电离腔体的管长越短；如果需要等离子体天线具有自重构功能，通过改变激励功率进而改变工作频率，则电离腔体的长度也相应的改变；具体地，减小激励功率，进而减小工作频率，则电离腔体的长度增加。
作为上述技术方案的改进之一，所述气体参数具体为：
所述惰性气体的气体种类为纯氩气，不掺杂其他气体或杂质；电离腔体内的气体压强为20Pa。
作为上述技术方案的改进之一，所述射频参数具体为：
所述信号频率为100-500MHz；所述激励功率不小于25-30W，激励功率过低并低于25-30W，则无法达到所需要等离子体电力密度。
作为上述技术方案的改进之一，所述电离腔体采用不导电的绝缘材质制成，绝缘材质具有良好的透射性能，可以透明或不透明，例如，玻璃或树脂材料。
作为上述技术方案的改进之一，所述耦合腔体2包括：激励端口4和信号端口3；激励端口4为电离腔体提供射频激励功率，在电离腔体内激发等离子体柱形成等离子体天线；其中，激励端口4的激励功率，即输入功率，用于电离密封在介质电离腔体内的惰性气体，从而形成具有导电性能的等离子体圆柱、起到与同样形状金属圆柱天线相同的作用；信号端口3用于向等离子体天线耦合射频信号，与普通金属天线的信号收、发端口相同。
如图2所示，采用本发明的方法制成的电离腔体与耦合腔体组成的等离子体天线，在等离子体天线正常工作时，能实现具有等同于普通金属天线理想增益性能。其中，所述等离子体天线正常工作是指信号端口3和激励端口4能实现射频匹配。其中，信号端口3为射频信号的接收和发射。
将采用上述方法制成的电离腔体1***具有良好阻抗匹配的耦合腔体2内，通过耦合腔体2上的信号端口3耦合射频功率从而在电离腔体1内形成柱状等离子体天线。当信号频率在100MHz-500MHz范围内，通过激励端口4输入的激励功率应当不小于25W-30W，激励功率低于25-30W时，将无法达到所需要的等离子体电离密度。
射频信号的发射和接收是通过信号端口3实现的。在实际等离子体天线的工作过程中，信号端口3和激励端口4都需要在耦合腔体2内实现阻抗匹配。信号端口3的信号频率与激励端口4的激励频率应选在不同频段，以防互相干扰，并通过滤波装置彼此隔离。
如图3所示，图3为增益为3.0的金属天线和等离子体天线从380MHz到420MHz的增益比较结果；金属天线和等离子体天线均在400MHz附近达到最大增益，在400MHz工作频率附近，等离子体天线的接收信号功率与金属天线最接近，增益最小差距为2.1dB。因此，在400MHz测试频点，等离子体天线的增益接近1dB。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于等离子体天线的电离腔体的制备方法，其特征在于，等离子天线包括：耦合腔体(2)和电离腔体(1)；所述电离腔体(1)是容纳有低压惰性气体的两端封闭的空心柱状的绝缘介质腔体；耦合腔体(2)是用于固定电离腔体(1)；该方法具体包括：
步骤1)获取电离腔体的几何参数；所述几何参数包括：电离腔体的内径，电离腔体的外壁厚度、电离腔体的长度；
步骤2)获取电离腔体内填充的惰性气体的气体参数；所述气体参数包括：惰性气体的气体压强和气体种类；
步骤3)获取电离腔体的射频参数；所述射频参数包括：激励功率和信号频率；
步骤4)根据步骤1)-步骤3)获得的几何参数、气体参数、射频参数，获得电离腔体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述几何参数具体为：
所述电离腔体的内径为12-18mm，电离腔体的外壁厚度为0.5-1mm；电离腔体的长度为40-100mm，适用于100-500MHz的工作频率。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，电离腔体的长度为40-60mm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述气体参数具体为：
所述惰性气体的气体种类为纯氩气；电离腔体内的气体压强为18-22Pa。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述射频参数具体为：
所述信号频率为100-500MHz；所述激励功率不小于25-30W。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电离腔体(1)采用不导电的绝缘材质制成。
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