等离子体天线开启时间光—电时差测量方法

【摘 要】等离子体天线开启时间测量是当今研究的难点之一，实验将发射光谱信号引入到辉光放电等离子体天线开启时间测量当中，利用原位光谱探测技术将等离子体所发出的光信号转化为具有相同时间特性的电信号，并将该电信号建立的初始时刻与等离子体天线激励电信号产生的初始时刻进行比较，根据等离子体光信号与激励电压信号的时间差测出辉光等离子体天线的开启时间，该方法称为“光-电时差法”，可避免探针测量等离子体天线开启时对等离子体和通信信号产生的交互干扰，提高了测量精度。

【关键词】等离子体；天线；开启时间；光电时差

【Abstract】A method estimating the switch-on time of glow plasma antennas is introduced.Two channels are established，one is used for gathering optical signals of plasma，the other for exciting signals of power supply.The optical signals are converted into electrical signals of same time characteristics by technology of the In-situ spectroscopic detection.The switch-on time is obtained by calculating the time difference of the exciting and electrical signals.

【Key words】Plasma；Antenna；Switch-on time；Light-electricity time difference

0 引言

随着科技的进步，现代化军事战争对武器装备的要求越来越高，若想满足武器装备强大的生命力，就必须有先进的隐身技术作为支持。但传统金属天线由于存在较大的雷达散射截面（RCS）而难以实现隐身。近几十年，研究者们提出利用等离子体代替金属制作天线进行信号的发射与接收这一想法引起越来越多的关注。等离子体是由大量相互作用的电子、离子、中性粒子和自由基等组成的且在宏观上表现为近似电中性的非凝聚系统。随着等离子体科学技术的不断进步，等离子体在冶金、切割和表面改性等领域的应用越来越广泛。

由气体放电产生的等离子体应用也逐渐深入到军事通信领域。等离子体天线是依据等离子体的导电特性用气体放电产生的等离子体代替金属进行电磁波发射和接收的一种射频天线[1]，该天线具有许多独特性质。当不需要天线工作时，关闭等离子体天线的激励源，原等离子体天线就会变成绝缘腔体，雷达探测信号可以直接穿过绝缘腔体而不被反射，因此RCS大大降低，根据这一原理可以实现隐身。同时等离子体天线还具有可重构能力强、天线阵列设计简单等优点[1]。

由于等离子体天线潜在的应用价值，国内外研究者展开了较为深入的研究。Kumar[2-3]等人研究了可重构等离子体天线，指出通过改变放电状态可以动态调节等离子体天线内部形状为柱形、螺旋形及柱形阵列等；Russo[4-5]等人研究了利用波导激励产生等离子体作为等离子体天线并研究其特性；Belyaev[6]等人研究了等离子体振子的非线性效应；张芝涛[7]等人研究了等离子体天线与入射电磁波之间的相互作用；端木刚、徐跃民[8]等利用FDTD法计算研究了柱形等离子体天线的特性；时家明、黄方意[9]等理论结合实验研究了基于等离子体的定向天线阵；李学识、胡斌杰[10]等利用FDTD方法分析了等离子体参量均匀和非均匀分布的磁化等离子体天线。

本文依据等离子体受激发光的技术原理，利用原位光谱探测技术将放电等离子体发射的光信号转换为具有相同时间特征的电信号，并将该电信号建立的初始时刻与等离子体天线激励电源电压信号的施加时刻比较，进而利用光信号与激励电压信号的时间差获得开启时间，称为“光-电时差法”。

1 测量原理与系统

1.1 测量原理

在辉光等离子体天线系统中，当开启激励源时，原子受激发产生电子，等离子体的激发物种跃迁到低能态时会辐射出光，据此可以获得发射光谱。当然，气体原子电离的方式有很多种，原子受激发和电离的过程可以由以下表达式表示：

1.2 测量系统

根据辉光放电等离子体天线开启时间测量原理，天线开启时间测量装置原理示意图如图1所示。选取直流、工频交流、kHz级交流和MHz及交流源作为等离子体天线激励源。由于各激励源激励方式不同，图1（a）所示的在直流和低频交流激励源激励条件下等离子体天线开启时间测量原理示意图，放电管两端激励采用直连式，高压端连接示波器端口1，中间接入高压分压器以保护示波器端口1免受损坏，该通道称为“激励电信号采集通道”。示波器端口2与光电倍增管相连接，光电倍增管用于将等离子体发射光信号转换为电信号，传入示波器进行分析，为调节光-电信号强度，示波器与光电倍增管之间连接调压器，该通道称为“光-电信号采集通道”。图1（b）所示利用高频激励源激励等离子体天线开启时间测量示意图，其与（a）大致相同，主要区别在于激励模式，高频等离子体天线这里采用电感耦合模式进行激励。接激励源的线圈端连接示波器端口1，示波器与电感线圈之间连接带阻滤波器，在10-50MHz频段内衰减约-60dB，用以保护示波器端口1，示波器端口2的连接方式与图1（a）一样。为减小测量误差，光电信号采集通道与激励电信号采集通道长度相同。

2 结果与分析

2.1 直流与低频交流等离子体天线测试结果

根据等离子体天线激励模式的不同，直流与低频交流激励模式均采用直连式激励方法，而高频MHz量级交流激励下的等离子体天线采用电感耦合激励模式。根据图1（a）的实验装置所示，示波器的两个通道分别接入光电倍增管和高压电源激励端。图3所示的是利用光电时差法测量10kHz交流激励的辉光等离子体天线开启时间，图中第一行的波形表示的是利用示波器接收到由光电倍增管采集到的光电信号，下面一行的波形表示的是由示波器采集到的激励电源的电信号。天线放电管长度为80cm，填充气体为Ne，放电功率为3W，光电倍增管光纤探头距离放电管1cm，从激励电源起始时刻到稳定光-电信号产生时刻之间的时间差约为1ms，即等离子体天线的开启时间为1ms，如图2所示。对等离子体天线开启时间测量结果中涵盖了放电信号的产生时间，等离子体激励电源响应延迟等影响等离子体天线开启时间关键因素。

图3所示的是利用光-电时差法测量50Hz交流辉光等离子体天线开启时间结果，放电管仍与图2相同，交流放电功率为1W。激励信号产生到等离子体光信号产生时刻的时间间隔约为0.7ms，到较为稳定的光信号时间间隔约为2ms。

2.2 高频交流等离子体天线测试结果

与直流和低频交流激励方式不同，高频交流等离子体天线的激励方式通常采用单端口激励。根据图1（b）的测量装置，高频交流激励源采用的是13.56，27.12和40.68MHz交流源，采用线圈裹附在放电管周围，线圈一端接激励源功率输出端，另一端接地。示波器端口1连接电感线圈非接地端，中间连接带通滤波器以保护示波器不受高功率损坏，示波器端口2连接光电倍增管。图4所示的是在40.68MHz交流激励条件下，利用光-电时差法测量辉光放电等离子体天线开启时间。等离子体天线放电管与测量直流、低频交流等离子天线所用的放电管尺寸相同，管内充稀有气体Ne，气压为20Pa，放电功率为3W。与直流和50Hz交流激励的辉光等离子体天线测量结果不同，40.68MHz交流激励下的光电信号较为稳定，利用光-电时差测量高频交流等离子体天线的开启时间约为300ns。

2.3 影响因素

等离子体天线开启时间测试结果受许多因素影响，如等离子体激励电源响应时间、激励电压信号产生到等离子体产生之间的时间延迟和从等离子体产生到等离子体状态相对稳定的时间延迟等等。其中等离子体激励电源响应时间受等离子体激励源本身状态影响。

图5所示的是不同功率下，利用光-电时差测量10kHz低频交流等离子体天线开启时间结果。放电管长1m，外径12mm，内径10 mm，充入气体为Ar和汞的混合物，气压为300Pa，放电功率可调范围为1-10 W，测量次数为8次，测量结果的均方根误差可以用下式表示：

其中随放电功率从0.8W增加到2W，等离子体天线开启时间测量值急剧缩短，当放电功率低于2W时，测量误差非常大，数据重复率很低。随放电功率进一步增加，天线开启时间下降范围越来越小，放电功率超过6W时，放电功率的增加对开启时间的测量结果影响不大，而且测量结果数据的可重复性越来越高，误差越来越小。

3 结论

利用光-电时差法测量辉光放电等离子体天线开启时间，该方法结合了示波器触发和中性粒子受激发光原理，避免了探针或场强仪测量对等离子体内部参量造成的干扰。从激励电源出现至稳定等离子体光信号出现的时间差为微秒至毫秒量级，即天线的开启时间。该时间受激励功率影响很大，当激励功率在一定范围内增加时，开启时间急剧缩短，随放电功率继续增大，开启时间缩短速度减慢，最后趋于稳定状态。且随放电功率增加，开启时间测量结果的重复性大大增加，测量误差降低。该方法有利于测量产生高电子密度的辉光等离子体天线开启时间，为等离子体天线的发展提供一种新的评价参量。

【参考文献】

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[2]Kumar R.，Bora D.Experimental study of parameters of a plasma antenna[J]. Plasma Sci.Technol.，2010，12（5）：592-600.

[3]Kumar R.，Bora D.Wireless communication capability of a reconfigurable plasma antenna[J].J.Appl.Phys.，2011，109（6）：063353-1-063353-9.

[4]Russo P.，Cerri G.，Vecchioni E.Self-consistent analysis of cylindrical plasma antennas[J].IEEE Trans.Antennas Propag.，2011，59（5）：31-34.

[5]Russo P.，Cerri G.，Vecchioni E.Experimental characterization of a surfaguide fed plasma antenna[J].IEEE Trans.Antennas Propag.，2011，59（5）：425-433.

[6]Belyaev B.A.，Leksikov A.A.，Leksikov A.A.，et al.Nonlinear Behavior of Plasma Antenna Vibrator[J].IEEE Trans.Plasma Sci.，2014，42（6）：1552-1559.

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[8]Duanmu Gang， Zhao Changming，Liang Chao，et al.Dual-channel communication of column plasma antenna excited by a surface wave-actualization and simulation of radiation pattern[J].Plasma Sci.Technol.，2015，17（1）：37-40.

[9]黄方意，时家明，袁忠才等.基于等离子体的定向天线阵理论与实验研究[J].物理学报，2013，62（15）：155，201-1-8.

Huang Fangyi，Shi Jiaming，Yuan Zhongcai et al.Theoretical and experimental study of plasma directional antenna array[J].Acta Phys.Sin.，2013，62（15）：155201-1-8.

[10]Li X.S.，Hu B.J.FDTD analysis of a magneto-plasma antenna with uniform or non-uniform distribution[J].IEEE Antenn.Wirel.Propag.Let.，2010，9：175-178.

[责任编辑：田吉捷]

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