等离子鞭天线仿真设计分析

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f_p=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f_p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f_p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f_p=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f_p增大，等离子体鞭天线增益也增大。天线辐射特性增强。

图4  f_p=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f_p=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小。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面辐射图完全重合。且在第一谐振频率处，金属鞭天线效率93.7%，增益为1.99dB；等离子体鞭天线效率96.1%，增益为1.86dB。说明等离子体天线完全可以达到与金属天线相似的辐射特性，可以替代金属天线。考虑到等离子体天线独有的隐身特性，可重构性等显著特征，等离子体天线将大有可为。

5  等离子体长度对天线辐射特性的影响

等离子体频率取值f_p=900GHz，等离子体碰撞频率取值v=5MHz。如图7所示，第一谐振频率f与等离子体长度倒数1/L(1/mm)之间有着近似的线性关系，可得斜率k近似值为84，得到关系式f=84/L (GHz)。若金属天线的长度L=l/4，则第一谐振频率f=c/4L。可见，等离子体天线和金属天线都存在这种线性关系。

图7  第一谐振频率f与等离子体长度倒数1/L的关系

仿真结果表明，在等离子体半径r范围是2mm~6mm，天线增益随半径增大而增大，当等离子体半径r变化范围为1mm~9mm，玻璃管厚度d变化范围为1mm~5mm，第一谐振频率几乎不变。

6  结论

本文首先讨论了等离子体参数­——等离子体频率和等离子体碰撞频率对天线辐射特性的影响，结论为天线增益随等离子体频率的增大而增大，随碰撞频率增大而减小。等离子体频率和碰撞频率变化对天线第一谐振频率和方向性都没有太大影响。在等离子体频率较大（900GHz）和等离子体碰撞频率取值较小（5MHz）时，等离子体天线与金属天线辐射特性相似。接下来讨论了等离子体长度与天线第一谐振频率的关系，并给出了第一谐振频率f与等离子体长度表达式，这种性质与金属天线类似。