電容耦合放電如何改變弱探測信號所經歷的阻抗和電抗

當前和未來的通信必須處理日益擁擠的電磁頻譜，如果某個頻率或整個頻帶被占用，在頻譜中找到一個“打開的窗口”是至關重要的。為此，下一代射頻系統應該能夠快速重新配置或頻率捷變，即能夠根據需要快速改變載波頻率?？勺儫o源電抗元件是可重構射頻系統的關鍵組件:可調電容和電感廣泛用于調諧諧振頻率。這種可變電抗通常是機械、半導體或微機電系統元件。

然而，后兩種技術局限于低功率應用，并且具有其他固有的缺點，例如非線性行為以及對溫度和輻射的敏感性。當需要調諧和傳輸大功率信號時，目前使用機械控制的可變電容器和電感器。這種機械解決方案包括電動機，其機械地旋轉和/或移動一組可變電容器和/或電感器或開關電容器和/或電感器組。因此，這些系統體積大且相當慢。

研究內容

使用等離子體作為可調諧射頻元件的概念有許多優點。等離子體可以快速(電子)打開和關閉，其性質在很大范圍內變化；等離子體可以處理比半導體更高的射頻功率、溫度和輻射。此外，冷等離子體放電對于可重構射頻電子器件來說有一個獨特的特性:能夠將其阻抗從電容性改變為電感性，普渡大學的研究人員對此繼續了研究。

實驗方法

他們的概念是通過改變等離子體激勵信號的頻率和/或功率來控制弱探測射頻或微波信號所經歷的阻抗。但是直到現在還沒有實驗研究。通過在一個頻率范圍內改變強射頻激勵信號，可以改變等離子體的性質，而弱射頻探測信號將在不同的頻率范圍內，并且它將作為可調阻抗元件進入等離子體單元。當等離子體單元比探測信號波長小得多時，放電可以用分布參數等效電路表示。其參數可以從在很寬的頻率范圍內通過探測測得的總阻抗中推斷出來。通過均勻模型可以對放電行為進行特別簡單的解釋，該模型假設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，其中電子數密度幾乎為零。在這種情況下，可以從從多頻探測推斷出的集總參數值中計算出等離子體特性。在本文中，他們在對具有非常不同尺寸的等離子體單元的實驗研究中進一步發展了這一思想。

使用電容耦合等離子體作為弱射頻或微波信號的可調阻抗元件的概念。

射頻實驗裝置。

傳輸系數(S21)，說明系統中射頻路徑的衰減。

GDT阻抗可調諧等離子體:功率以200 MHz的恒定激勵頻率變化。

結論

電容耦合放電表現為廣泛可調的阻抗元件，通過改變等離子體激勵信號的頻率和/或功率，可以改變弱探測信號所經歷的阻抗和電抗。對于一個大的等離子體裝置，例如在這項工作中研究的直徑為5厘米的電極，結果的解釋需要電磁建模。較小器件的結果，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等效電路來解釋，并且可以推斷出關鍵的等離子體參數?？偟膩碚f，這項工作表明，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為電感性，這是傳統的可變電容器和電感器無法實現的。另一方面，等離子體的耗散特性將阻礙其作為可調電抗元件的應用，歐姆電阻的最小化應在未來進行研究。
編輯：hfy