电容耦合放电如何改变弱探测信号所经历的阻抗和电抗

当前和未来的通信必须处理日益拥挤的电磁频谱，如果某个频率或整个频带被占用，在频谱中找到一个“打开的窗口”是至关重要的。为此，下一代射频系统应该能够快速重新配置或频率捷变，即能够根据需要快速改变载波频率。可变无源电抗元件是可重构射频系统的关键组件:可调电容和电感广泛用于调谐谐振频率。这种可变电抗通常是机械、半导体或微机电系统元件。

然而，后两种技术局限于低功率应用，并且具有其他固有的缺点，例如非线性行为以及对温度和辐射的敏感性。当需要调谐和传输大功率信号时，目前使用机械控制的可变电容器和电感器。这种机械解决方案包括电动机，其机械地旋转和/或移动一组可变电容器和/或电感器或开关电容器和/或电感器组。因此，这些系统体积大且相当慢。

研究内容

使用等离子体作为可调谐射频元件的概念有许多优点。等离子体可以快速(电子)打开和关闭，其性质在很大范围内变化；等离子体可以处理比半导体更高的射频功率、温度和辐射。此外，冷等离子体放电对于可重构射频电子器件来说有一个独特的特性:能够将其阻抗从电容性改变为电感性，普渡大学的研究人员对此继续了研究。

实验方法

他们的概念是通过改变等离子体激励信号的频率和/或功率来控制弱探测射频或微波信号所经历的阻抗。但是直到现在还没有实验研究。通过在一个频率范围内改变强射频激励信号，可以改变等离子体的性质，而弱射频探测信号将在不同的频率范围内，并且它将作为可调阻抗元件进入等离子体单元。当等离子体单元比探测信号波长小得多时，放电可以用分布参数等效电路表示。其参数可以从在很宽的频率范围内通过探测测得的总阻抗中推断出来。通过均匀模型可以对放电行为进行特别简单的解释，该模型假设离子密度在任何地方都是恒定的，包括电极附近的振荡鞘层，其中电子数密度几乎为零。在这种情况下，可以从从多频探测推断出的集总参数值中计算出等离子体特性。在本文中，他们在对具有非常不同尺寸的等离子体单元的实验研究中进一步发展了这一思想。

使用电容耦合等离子体作为弱射频或微波信号的可调阻抗元件的概念。

射频实验装置。

传输系数(S21)，说明系统中射频路径的衰减。

GDT阻抗可调谐等离子体:功率以200 MHz的恒定激励频率变化。

结论

电容耦合放电表现为广泛可调的阻抗元件，通过改变等离子体激励信号的频率和/或功率，可以改变弱探测信号所经历的阻抗和电抗。对于一个大的等离子体装置，例如在这项工作中研究的直径为5厘米的电极，结果的解释需要电磁建模。较小器件的结果，例如这里研究的具有1 cm直径电极的器件，可以用简单的集总参数等效电路来解释，并且可以推断出关键的等离子体参数。总的来说，这项工作表明，不仅放电的有效电容可以变化很大，而且电抗可以从电容性变为电感性，这是传统的可变电容器和电感器无法实现的。另一方面，等离子体的耗散特性将阻碍其作为可调电抗元件的应用，欧姆电阻的最小化应在未来进行研究。
编辑：hfy