[发明专利]一种增强电磁波在等离子体中穿透性的磁体天线

说明书

技术领域

本发明属于高速飞行器导航以及通信用的磁体天线，特别是一种用于飞行器表面存在等离子鞘套的立体螺旋天线。天线辐射出电磁波在等离子体中的衰减可较大幅度降低，从而克服了飞行器与地面之间由于飞行器表面等离子体鞘套导致的通信中断问题。

背景技术

当飞行器以高超声速在大气层中飞行时，飞行器周围高温气体将部分发生电离，形成等离子体。电磁波通过等离子鞘套传播过程中，因被等离子体鞘套反射、折射和吸收，能量将大幅度衰减，甚至传输完全中断。目前降低电磁波在等离子体中衰减主要措施有：改变气流形态，或提高通信频率、喷射亲电子性物质、外加强磁场等。每一种措施都有一定的局限性，如改变气流形态即会涉及到飞行器的气体动力学特性的变动并带来防热问题；提高通信频率会涉及到雨衰和大气传输衰减问题；在天线上喷射亲电子性物质会增加整个系统的重量和复杂性。而在外加强磁场减缓电磁波在等离子体中衰减研究中，产生强磁场主要有永磁体、电磁线圈和超导磁体三种方式。使用电磁线圈产生磁场，线圈的体积和重量都会很大；而使用超导技术则需要额外地添加冷却系统并需要提前激励超导线圈。常规磁体天线，如在《磁窗天线增强等离子体鞘套透波特性研究》（宇航学报2011年7月第32卷第7期，作者于哲峰，刘佳琪，任爱民等）一文中提出的一种微带圆极化磁体天线。该微带天线采用正方形贴片切角形式，正方形边长为54.4mm，切角为边长4.8mm的等腰三角形，贴片材料为铜。微带介质采用相对介电常数为3的材料，介质边长约为140mm，厚度为1.524mm。接地板形状为边长约110mm的立方体，材料选用稀土永磁体中的NdFeB(钕铁硼),其剩余磁感应强度最大可以达到1.4T左右；天线采用同轴线馈电，馈电点偏离贴片中心10.7mm；天线谐振频率为1.545GHz，馈电端口S11（-10dB）带宽约40MHz，天线增益约7.5dB，圆极化带宽很窄，只有10MHz左右。这是因为微带天线Q值很高，S11带宽较窄，而采用切角方式可以在某频点上满足圆极化，但圆极化带宽不会太宽，并且微带天线增益一般较小，无法满足穿透等离子体微波通信系统天线高增益要求。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种增强电磁波在等离子体中穿透性的磁体天线，达到提高天线的频带带宽和圆极化带宽（特性），大幅度降低天线电磁波在等离子体中的衰减幅度，有效提高微波通信系统天线的增益等目的；以克服高速飞行器与地面通信因飞行器表面等离子体鞘套的存在而导致通信中断的弊病。

本发明的解决方案是将天线和强永磁铁设为一体，既把磁体作为磁场发生装置产生强磁场、又把磁体作为天线接地板，以利用接地板的强磁场增强电磁波在等离子体鞘套中的透波特性；采用柱体（状）轴向模的螺旋天线代替背景技术中的正方形贴片切角形式微带天线，以提高天线频带的带宽、圆极化特性和增益；同时在螺旋天线和接地板磁体之间采用锥体式同轴导线作为馈电导线，通过同轴线的外导体与接地板磁体连接、而通过其内导体（轴芯线）与螺旋天线的下端连接，以克服端口大产生的反射问题、从而优化天线S11参数；为了避免天线与等离子体直接接触，采用一天线罩将螺旋天线罩于接地板上、工作时将螺旋天线与等离子体隔离；本发明即以此实现其发明目的。因此本发明磁体天线包括天线及其接地板，将天线与接地板连成一体的同轴馈电导线，关键在于天线为柱状（体）式轴向模螺旋天线，将天线与接地板连成一体的同轴导线为锥体式同轴馈电导线柱，在螺旋天线及锥体式同轴馈电导线柱上还设有一密封式天线罩；锥体式同轴馈电导线柱的下端穿过接地板、外端头则作为外接同轴电缆的接头，并通过该馈电导线柱锥环面上的外导体与接地板紧固连接，锥体式同轴馈电导线柱上端的内导体则通过螺旋天线下端将螺旋天线轴芯线正对接地板的中心并垂直于接地板悬空固定，密封式天线罩罩于螺旋天线及锥体式同轴导线柱后、其下口部则与接地板密封固定。