实用型等离子体天线的研制与测试

孙 简 谢义方 霍文青 徐跃民 孙海龙

(中国科学院国家空间科学中心，北京 100190)

引 言

等离子体天线利用电离气体的导电性辐射电磁波，同普通金属天线相比具有低雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)、自重构、超宽带等优势，在国内外已开展了多年的研究[1-2].由于技术方面的困难，等离子体天线的一些关键性能参数，特别是增益指标通常很难达到常规金属天线的水平，而且往往结构复杂，庞大而笨重.因此，至今未见等离子体天线实用化的公开报导.

中国科学院空间科学与应用研究中心相关课题组2004年开始等离子体天线项目，先后研制出多台原理样机，在该领域一直处于国内领先水平[3-9].从2010年开始，利用大型微波暗室等设备对天线增益问题进行了深入的研究并取得了突破性的进展.在2011年组织的项目验收测试中，参测的等离子体天线样机在400 MHz以下频段的增益达到与金属天线近似相等的水平[10]，具备了将等离子体天线实用化的基本条件.

然而，该样机还存在体积质量重、功耗高以及噪声干扰严重等问题.针对等离子体天线实用化的要求，课题组对等离子体天线的各组成部分进行了重新设计.通过减小设备体积、质量和功耗，达到在移动载具上安装的要求.为了验证改进后样机的性能，采用外场设备进行天线测试，在400 MHz频段达到了与金属天线接近的增益水平.

1 等离子体天线的实用化改进

1.1 物理与技术背景

等离子体天线的工作原理与电离层对电磁波的作用相似，由于电离层等离子体密度一定，只能反射低于自身等离子体频率的电磁波，而对30 MHz以上的电磁波透明.同样，等离子体天线通过提高介质腔体内的惰性气体电离密度，可以将等离子体反射的临界频率提高到400 MHz以上.就是说，即使等离子体天线在低于400 MHz 的通信波段正常工作，也不会像常规金属天线一样同L波段以上的电磁波作用，RCS很低.

在现代通信中，广泛采用跳频通信手段来降低信号被截获的概率，这就对频率的跳变速度提出了很高的要求.对于通信中常规的金属谐振天线，由于本身频带窄，而且机械调谐的速度慢，因此难以用单根天线满足大范围跳频的要求.由于等离子体天线具有自重构功能，天线尺寸可以通过改变等离子体腔体的激励电压来动态调整，使天线的谐振频率快速跳变到所需的频点.只要等离子腔体足够长，只需同一根天线就可以在多个频点频繁快速切换而不会改变天线的阻抗和增益，获得很宽的跳频带宽.

将等离子体天线的低RCS特性与宽频带低截获概率通信手段相结合，可以使天线的低可探测性能达到一个新的高度.

1.2 相关实验研究

一直以来，等离子体天线无法实用化的主要瓶颈是天线增益低.目前，中科院空间中心已掌握等离子体天线增益技术，样机性能达到接近实用化的程度.实用化改进中，主要的问题是等离子体天线的结构比常规金属天线复杂，特别是激发等离子体天线需要为天线腔体提供大功率的射频激励源，因此等离子体天线的体积、质量比较大，而且对于电源功耗有较高的要求，比较难以安装在各种移动载具上.如图1所示.

图1中，等离子体天线由天线本体、等离子体激励源以及供电源三部分组成，其中激励源体积最庞大而且沉重.因此，等离子体天线实用化的关键在于等离子体激励源的小型化.图中激励源的作用是将封闭在天线腔体内的惰性气体电离、产生等离子体，采用了150 MHz、100 W量级的射频功率.由于激励源的功耗很高，实际输入功率超过300 W，用市电插座供电.

图1 等离子体天线基本结构

天线的激励功耗也影响噪声水平.在测试中，等离子体天线的噪声非常高，往往将接收信号淹没.通过实验研究发现，解决噪声问题主要取决于两个方面，一是提高等离子体激励源的频谱纯度，二是尽量降低激励功率.但是，为了产生足够密度的等离子体，激励功率必须维持在一定的水平.为此，我们通过实验确定等离子体天线激励功率与天线效率的关系.通过采用不同功率激励等离子体天线，并用频谱分析仪接收天线信号，以此来分析天线激励效率与激励功率的关系.实验数据在图2中列出.

图2 激励功率与激励效率的关系

根据图2，激励功率越高，天线效率越高，而当激励功率达到一个临界值(图2中为50 W)以后，天线效率达到最大，即使继续加大激励功率，天线效率也不会再提高.因此，等离子体天线的激励功率应当选择在临界功率，可以用最低的功耗达到最佳激励效果，同时低功耗下激励源引入的噪声也最小.实验证明，通过对等离子体天线的激励腔体和耦合结构进行优化改进，并适当缩小体积以后，目前有效激发等离子体天线所需的临界功率可以降低到30 W左右.

1.3 实用化改进措施

在等离子体天线样机的增益等性能达到良好的指标后，实用化改进的重点是缩小各组成部分的体积、质量和功耗.

等离子体天线的本体由惰性气体腔体、射频激励腔体以及阻抗匹配装置组成.惰性气体腔体为空心结构，直径和体积均大于普通金属天线.为了缩小体积，我们重新研制了较细的介质惰性气体腔体，直径由原来的3 cm左右减小到2 cm左右，有效降低了天线在移动载具安装时的风阻.射频激励腔体用于固定和激励介质腔体，通过改进使得这部分黄铜腔体的直径更小，高度减小到20 cm以下，体积和质量仅为原来的1/3左右，更容易嵌入安装到移动载具上，见图3.

图3 新天线(右)与旧天线(左)对比

由图1可知，激发等离子体天线需要较大的输入功率，相应的射频激励源甚至比天线本身更为庞大笨重.对于实用化的等离子天线来说，缩小这部分的体积和重量非常重要.通过对等离子体天线各腔体内耦合与匹配部件的改进，可以提高等离子体的激励效率，使得激励等离子体天线达到最大增益时所需要的最小输入功率由原来的接近60 W降低到30 W左右.相应地，射频激励源也可以采用小型化的功率放大器和散热结构.经过全新的设计，新型激励源的体积和质量大为缩小，图4所示.图4左侧原有激励源的体积超过50 cm×50 cm×25 cm，质量约30 kg.经过改进后体积缩小到大约20 cm×20 cm×10 cm，不到原来的1/10，质量小于5 kg.

图4 新激励源(右)与旧激励源(左)对比

由于激励功耗降低，可以采用比较小巧的便携式镍氢蓄电池组，目前可以为等离子体天线在正常工作状态下提供1 h左右的持续供电.图5为完整的小型化等离子体天线样机，图中从左至右依次为便携式镍氢蓄电池组、射频激励源和天线本体.

图5 实用型等离子体天线系统样机

2 新型样机的外场测试

2.1 实验方法

等离子天线的主要技术难点在于实现与金属天线相似的增益性能.由于新型样机为了缩小体积和质量，对原有样机的参数做了多项调整，降低了激励功率，这些都有可能影响增益，需要通过测试确认以上改动对天线性能的影响.在外场实验中，主要采用“比较增益法”来测试天线的增益.

首先，使用两个中心频率400 MHz、增益为3 dB的普通金属天线作为发射天线与接收天线，分别放置在相距50 m的测试台上，距离地面高度6 m，如图6所示.

图6 天线外场测试装置

图6中，接收端金属天线用吸盘固定在升降式发射架顶端的长方形铁板上，并升高到与发射端相同的高度，用同轴电缆与地面的频谱分析仪连接.发射端天线由吸盘固定在长条形铁板上，再用螺栓固定在圆形金属测试台上.发射天线连接信号发生器，以400 MHz为中心频率，发射25 dBm的微波信号，扫频范围从380 MHz到420 MHz，接收端每隔1 MHz记录一次读数.

然后，将发射台上的金属天线取下，换上等离子体天线，如图7所示.

图7 等离子体天线的测试安装

图7中，等离子体天线及其匹配装置通过铝板固定在试验台上，并用镍氢电池为激励源供电.当等离子体激发形成天线以后，同样以1 MHz为间隔发射380 MHz到420 MHz的25 dBm信号，记录接收端频谱仪读数，通过比较两次测试得到的频谱分析仪读数来计算等离子天线增益.

2.2 实验结果

金属天线和等离子体天线从380 MHz到420 MHz的增益比较结果如图8所示.

图8 金属天线与等离子体天线的增益对比

等离子体天线样机优化在400 MHz工作，金属天线和等离子体天线均在400 MHz附近达到最大增益，表1给出具体测试数据并通过比较确定天线增益.

根据表1所示，在400 MHz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2.1 dB.由于所采用的金属天线增益在400 MHz频率的增益为3 dB，因此在400 MHz频率下等离子体天线的最大增益接近1 dB.

表1 400 MHz频段的等离子体天线增益

3 新型样机的噪声测试

除了减小体积、质量和功耗，新型等离子体天线样机在性能上的最大改进在于噪声频谱有了极大的改善.由于等离子体天线需要通过射频功率激发产生足够的等离子体密度，该激励功率与天线的发射/接收信号都在同一个谐振器里耦合，因此很容易产生各阶交叉调制，造成严重的杂波干扰，使接收信号时的信噪比恶化.

图9所示，是原有激励源在工作频率正负70 MHz带宽内的频谱分布图，可见该激励源有非常丰富的相噪与杂波成分，在通信测试中几乎完全阻塞了接收信道，严重影响了天线的接收能力和有效通信距离.新激励源的改进重点在于提高相噪性能，抑制高次谐波.改进后的激励源频谱纯度大大提高，消除了激励功率对信号功率的干扰.

图9 旧激励源的噪声频谱

为了研究新型等离子体天线在同时耦合激励功率和信号功率情况下的噪声干扰，用频谱分析仪做了噪声测试.在测试中，激励功率采用35 W、频率150 MHz的射频激励源，而发射信号采用0.5 W的400 MHz点频源.将这两路信号同时耦合进等离子体天线以后，用频谱分析仪来接收等离子体天线的发射频谱，测试中设置频谱仪接收带宽为300～500 MHz，如图10所示.

图10 等离子体天线的发射频谱

在图10中，除了400 MHz的信号成分外，还出现了150 MHz激励信号的三次谐波成分，以及发射信号与激励信号在激励腔体中混频产生的350 MHz高阶交调成分. 而在350～450 MHz以内，400 MHz接收信号附近则没有出现由于激励源功率造成的干扰成分，频谱纯净.

4 讨 论

在新型样机测试中，等离子体天线在400 MHz频段达到的最大增益接近1 dB，而原有样机的最大增益可以达到2 dB以上.这主要是由于为降低天线风阻而缩小了天线直径，使得等离子体柱体的表面波激励条件变差.此外，由于缩小了阻抗匹配装置的体积，天线驻波比也从原来的1.5以下升高到2.0左右，也会影响增益指标.

新型样机主要的性能改进在于对天线噪声的有效控制.图10中，在400 MHz接收信号附近差不多100 MHz带宽内基本上没有因为激励功率引入的杂波干扰.但是，由于新样机在体积上做了很大的缩减，而相应的滤波结构还不够完善，造成频谱中仍有激励源的高次谐波成分.

在工程化研制方面，今后还可以采用更加先进的材料和工艺，进一步降低等离子体天线组件的体积、质量和功耗.例如，等离子体介质腔体可以采用更加轻便结实的复合材料来取代目前形状简单而且易碎的玻璃材料，黄铜激励腔体也可以设计得更加轻薄，而目前使用的镍氢蓄电池组也可以用更加轻便的锂电池组来代替.

5 结 论

等离子体天线在理论上具有低RCS、快速自重构、超宽带等性能优势.但是，由于等离子体天线的结构比常规金属天线复杂、调试困难、功耗和噪声都比较大，而且原理样机的体积、质量大，性能不稳定，存在增益和噪声等技术瓶颈.因此，多年来等离子体天线的研究工作一直停留在实验样机阶段，无法进行各种实用性开发.

本项研究是在中科院空间中心等离子体天线增益、噪声等指标取得突破的基础上，首次根据实用化的需求研制轻量化的原理样机.通过对原有样机各组成部分的优化改进，在天线增益基本满足要求的前提下，不但使天线样机的体积、质量和功耗大大减小，而且有效解决了天线自身存在的等离子体激励噪声干扰问题.

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