带直角反射器的太赫兹等离子体-金属混合天线

### 带直角反射器的太赫兹等离子体-金属混合天线知识点解析 #### 一、基本原理及理论基础 **等离子体中波的相速度**：等离子体是一种高度电离的气体状态，其中含有大量的电子、正离子和其他粒子。在低气压条件下（即假设碰撞频率νm=0），等离子体中电磁波的相速度由公式（4）给出： \[ \omega/k = c\sqrt{1-\frac{\omega^2_{pe}}{\omega^2}} \] 其中，\( k \) 表示等离子体中的波数；\( c \) 是真空中的光速；\( \omega_{pe} \) 是等离子体频率。当辐射频率 \( \omega \) 大于等离子体频率 \( \omega_{pe} \) 时，电磁波以光速 \( c \) 在等离子体中传播；反之，当 \( \omega < \omega_{pe} \) 时，等离子体的相对介电常数为负值，电磁波会被反射，且其相速度在柱状等离子体中径向衰减。然而，在这种情况下还存在一种特殊模式——表面波模式，即电磁波可以沿着等离子体与介质的边界传播，并且其能量被约束在界面两边的狭窄区域内。 #### 二、天线设计 **八木天线模型**：该研究提出了一种新型的八木天线设计，它包括一个激励振子、一个反射振子和多个引向振子。激励振子是有源振子，反射振子和引向振子为无源振子。激励振子通常采用长度约为半波长 \( \lambda/2 \) 的半波对称振子或半波折合振子。反射振子长度略大于激励振子，引向振子长度略小于激励振子。 **夹直角反射器设计**：本研究中的天线采用了夹直角反射器，夹角为90°，以提高天线的增益。反射板的尺寸和位置至关重要。具体来说，反射板的边长为天线至顶点间距的两倍（\( W = 2S_1 \)），长度为天线至顶点间距的三倍（\( L = 3S_1 \)）。这样的设计可以有效减少重量和风阻，并有助于提高天线的整体性能。 **尺寸参数**：天线的工作频段设定为95~105GHz，中心波长为3.01mm。有源振子长度 \( L_1 \) 为半波长的0.95倍，即0.475λ0。第一引向振子长度 \( L_2 \) 为0.42λ0，第二引向振子长度 \( L_3 \) 为0.40λ0。引向振子之间的间距 \( S_3 \) 为0.23λ0，而有源振子与第一引向振子之间的距离 \( S_2 \) 为 \( 0.6S_3 \)。 **折合振子设计**：采用半波折合振子作为有源振子，其宽度为0.028λ0，馈电间距 \( d \) 为10.14r（r为振子半径）。这种设计可以确保折合振子的特征阻抗接近300Ω，这有利于实现良好的阻抗匹配。 **仿真结果分析**：在仿真过程中，有源振子和第二引向振子被设定为等离子体材料。通过改变天线-顶点间距 \( S_1 \)，可以观察到不同的天线谐振频点和回波损耗值。例如，不同的 \( S_1 \) 会影响天线的谐振频率以及回波损耗。此外，有反射板的天线相较于仅有反射振子的天线，在增益、3dB波束宽度以及电压驻波比等方面表现出更优的性能。 #### 三、结论 带直角反射器的太赫兹等离子体-金属混合天线通过优化设计实现了高性能，特别是在提高增益和改善回波损耗方面表现突出。通过精确控制各个部件的尺寸和材质，这种天线能够在特定的太赫兹频段内提供稳定可靠的信号传输能力，为未来太赫兹通信技术的发展提供了新的可能性。