[发明专利]信号增强型等离子体隐身天线窗

说明书

信号增强型等离子体隐身天线窗，涉及低温等离子体的应用技术领域，为了满足兼具隐身和增强天线电磁辐射功能的等离子体发生装置的应用需求。本发明包括外层等离子体罩、内层等离子体罩和天线系统；外层等离子体罩和内层等离子体罩同轴嵌套，天线系统位于内层等离子体罩中；外层等离子体罩用于减小天线窗的雷达散射截面，内层等离子体罩用于增强收发通讯信号强度；二者协同作用，可在一定参数条件下在同一系统中实现对不同目标波段电磁波的选择性隐身和增强。本发明适用于隐身通讯。

技术领域

本发明涉及低温等离子体的应用技术领域，具体涉及兼具隐身和增强天线电磁辐射功能的双层结构等离子体发生装置。

背景技术

雷达隐身是针对飞行器特定的方位角或者俯仰角降低其雷达散射截面(RCS)的一项综合技术。飞行器头部强散射部位主要包括进气道、座舱、天线罩。目前，通过S型/遮挡处理以及涂覆吸波材料，进气道的雷达散射截面已经得到较好的控制；通过挡风玻璃金属化，座舱的雷达散射截面也得到了明显的改善。天线罩的隐身仍是飞行器头部隐身的重点和难点。

利用碰撞效应对电磁波能量的衰减，以及通过对等离子体密度分布及几何结构的设计引导电磁波“绕道而行”，可实现对等离子体包覆目标区域的隐身。等离子体隐身技术研究始于上世纪晚期，通过在飞行器关键电磁散射部位(如天线罩部位等)形成等离子体覆盖，利用等离子体的碰撞衰减吸收效应或对电磁波传播路径的调制等手段减少雷达探测目标的电磁回波能量，从而降低目标的雷达散射截面。与外形和材料隐身技术相比，等离子体隐身具有无需改变气动外形设计、隐身频带宽、吸收率高等优点，是一种极具前景的隐身技术。现阶段的等离子体隐身技术多采用在通信系统尚未发送或接收信号时快速启动等离子体的方式进行隐身，难以保证隐身的持续性和稳态性。一个重要原因是：对等离子体覆盖的目标区域，在实现对探测雷达隐身的同时，己方通讯信号也会受到影响、甚至无法有效穿透，在隐蔽自己的同时也会让自己“耳聋眼瞎”。

近年来发展起来的亚波长等离子体增强电磁辐射技术为解决等离子体隐身技术中通讯受限问题提供了一种新思路。采用亚波长等离子体结构(结构特征尺度小于入射电磁波波长，或与之相当)对电磁波调制增强，是进入21世纪以来快速发展的创新性前沿科技，其要点在于利用亚波长等离子体薄层结构包覆在信源近场区域，通过改变等离子体结构参数和电子密度，实现对目标频段电磁波信号的显著增强。

对于等离子体隐身技术，Stalder和Vidmar等人在1992年通过实验验证了Epstein分布的冷等离子体对10GHz微波有强烈的吸收作用，能够使反射的电磁波衰减高达28dB。孟刚和莫锦军等人在2008年利用时域有限差分(FDTD)算法研究了等离子体薄层降低天线罩RCS的机制。仿真结果表明：(1)对于雷达探测波，稠密等离子体相当于一个带曲率的反射面，可将电磁能量散射到非入射的其他方向；(2)对于低密度等离子体，等离子体对电磁波的吸收作用是隐身的主要原因。陈俊霖等人在2018年设计了一种用于减小天线罩雷达散射截面的石英夹层感性耦合等离子体(ICP)源，仿真结果表明，电感耦合等离子体源覆盖天线罩时，能够在较宽的频率范围内减小天线罩的背向雷达散射截面。

目前，等离子体隐身装置大致分为两类：对于碰撞吸收型等离子体隐身装置，国内申请号CN201910176804中公开的“一种隐身功能的低温等离子体发生装置及方法”，通过由介质阻挡放电形成均匀稳定的等离子体云团来吸收和散射雷达波雷达波，以减小设备的雷达散射截面。该装置的缺点是：(1)介质阻挡型等离子体的厚度相对较薄，对低频段雷达波(如0.3GHz)的隐身效果较差；(2)在军用设备表面贴覆大量放电贴片容易形成频率选择表面结构，对设备的电磁传输特性不利；(3)对于飞行器来说，天线罩的强散射特性是由阵列天线及其支座导致的，为了减小天线罩的雷达散射截面，不可避免会在通信天线周围产生等离子体环境，这时该装置必然会对通讯天线的性能产生不良影响。