【導(dǎo)讀】當(dāng)前和未來的通信必須處理日益擁擠的電磁頻譜，如果某個(gè)頻率或整個(gè)頻帶被占用，在頻譜中找到一個(gè)“打開的窗口”是至關(guān)重要的。為此，下一代射頻系統(tǒng)應(yīng)該能夠快速重新配置或頻率捷變，即能夠根據(jù)需要快速改變載波頻率。可變無源電抗元件是可重構(gòu)射頻系統(tǒng)的關(guān)鍵組件:可調(diào)電容和電感廣泛用于調(diào)諧諧振頻率。這種可變電抗通常是機(jī)械、半導(dǎo)體或微機(jī)電系統(tǒng)元件。
然而，后兩種技術(shù)局限于低功率應(yīng)用，并且具有其他固有的缺點(diǎn)，例如非線性行為以及對(duì)溫度和輻射的敏感性。當(dāng)需要調(diào)諧和傳輸大功率信號(hào)時(shí)，目前使用機(jī)械控制的可變電容器和電感器。這種機(jī)械解決方案包括電動(dòng)機(jī)，其機(jī)械地旋轉(zhuǎn)和/或移動(dòng)一組可變電容器和/或電感器或開關(guān)電容器和/或電感器組。因此，這些系統(tǒng)體積大且相當(dāng)慢。
研究內(nèi)容
使用等離子體作為可調(diào)諧射頻元件的概念有許多優(yōu)點(diǎn)。等離子體可以快速(電子)打開和關(guān)閉，其性質(zhì)在很大范圍內(nèi)變化；等離子體可以處理比半導(dǎo)體更高的射頻功率、溫度和輻射。此外，冷等離子體放電對(duì)于可重構(gòu)射頻電子器件來說有一個(gè)獨(dú)特的特性:能夠?qū)⑵渥杩箯碾娙菪愿淖優(yōu)殡姼行裕斩纱髮W(xué)的研究人員對(duì)此繼續(xù)了研究。
實(shí)驗(yàn)方法
他們的概念是通過改變等離子體激勵(lì)信號(hào)的頻率和/或功率來控制弱探測(cè)射頻或微波信號(hào)所經(jīng)歷的阻抗。但是直到現(xiàn)在還沒有實(shí)驗(yàn)研究。通過在一個(gè)頻率范圍內(nèi)改變強(qiáng)射頻激勵(lì)信號(hào)，可以改變等離子體的性質(zhì)，而弱射頻探測(cè)信號(hào)將在不同的頻率范圍內(nèi)，并且它將作為可調(diào)阻抗元件進(jìn)入等離子體單元。當(dāng)?shù)入x子體單元比探測(cè)信號(hào)波長小得多時(shí)，放電可以用分布參數(shù)等效電路表示。其參數(shù)可以從在很寬的頻率范圍內(nèi)通過探測(cè)測(cè)得的總阻抗中推斷出來。通過均勻模型可以對(duì)放電行為進(jìn)行特別簡單的解釋，該模型假設(shè)離子密度在任何地方都是恒定的，包括電極附近的振蕩鞘層，其中電子數(shù)密度幾乎為零。在這種情況下，可以從從多頻探測(cè)推斷出的集總參數(shù)值中計(jì)算出等離子體特性。在本文中，他們?cè)趯?duì)具有非常不同尺寸的等離子體單元的實(shí)驗(yàn)研究中進(jìn)一步發(fā)展了這一思想。
使用電容耦合等離子體作為弱射頻或微波信號(hào)的可調(diào)阻抗元件的概念。
射頻實(shí)驗(yàn)裝置。
傳輸系數(shù)(S21)，說明系統(tǒng)中射頻路徑的衰減。
GDT阻抗可調(diào)諧等離子體:功率以200 MHz的恒定激勵(lì)頻率變化。
結(jié)論
電容耦合放電表現(xiàn)為廣泛可調(diào)的阻抗元件，通過改變等離子體激勵(lì)信號(hào)的頻率和/或功率，可以改變?nèi)跆綔y(cè)信號(hào)所經(jīng)歷的阻抗和電抗。對(duì)于一個(gè)大的等離子體裝置，例如在這項(xiàng)工作中研究的直徑為5厘米的電極，結(jié)果的解釋需要電磁建模。較小器件的結(jié)果，例如這里研究的具有1 cm直徑電極的器件，可以用簡單的集總參數(shù)等效電路來解釋，并且可以推斷出關(guān)鍵的等離子體參數(shù)。總的來說，這項(xiàng)工作表明，不僅放電的有效電容可以變化很大，而且電抗可以從電容性變?yōu)殡姼行裕@是傳統(tǒng)的可變電容器和電感器無法實(shí)現(xiàn)的。另一方面，等離子體的耗散特性將阻礙其作為可調(diào)電抗元件的應(yīng)用，歐姆電阻的最小化應(yīng)在未來進(jìn)行研究。
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