大面積等離子體片微波反射特性研究

程芝峰 徐躍民 梁 超 丁 亮 鑒福升 朱 翔

(1.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心,北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049)

1.引 言

遠(yuǎn)距離短波通訊中利用電離層對(duì)電磁波的反射是人們所熟知的,電離層中對(duì)電磁波起反射作用的是其中的等離子體,因而利用等離子體代替金屬板制成反射面天線成為近年來(lái)天線技術(shù)研究的一個(gè)新方向[1-2]。

美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)的ROBSON A E等人于20世紀(jì)90年代初開(kāi)展了“捷變鏡”雷達(dá)的研究。其思路是采用磁約束線形空心陰極放電的方式生成大面積高密度的等離子體片,能反射10 GHz左右的微波?？刂撇煌较虻牡入x子體片放電可以實(shí)現(xiàn)微波波束的方位掃描[2-3],這個(gè)過(guò)程是由電子開(kāi)關(guān)的通與斷來(lái)實(shí)現(xiàn),不存在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng),所以波束掃描的速度非常快。因此,這種等離子體反射面常被稱為“捷變鏡(Agile mirror)”。

目前關(guān)于等離子體對(duì)微波反射特性的研究主要集中在等離子體隱身技術(shù)方向,由于關(guān)注點(diǎn)的不同,所研究的等離子體位形及參數(shù)與反射面天線中的大面積等離子體片有很大不同[4-5]。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中搭建了類似于NRL的實(shí)驗(yàn)裝置,生成了60 cm×60 cm×2 cm的等離子體片,對(duì)其反射特性進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究。此外,還結(jié)合實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件,采用FDTD方法,利用非磁化均勻等離子體模型對(duì)其中的電磁傳播過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。

2.理論介紹

2.1 電磁波在等離子體中的傳播

對(duì)于低溫等離子體,其電子密度 Ne和碰撞頻率ν是兩個(gè)非常重要的參數(shù)[6-7]。在非磁化等離子體中,等離子體的電導(dǎo)率為

式中：me是電子質(zhì)量;e為電子電荷量;ω為電磁波的角頻率是真空介電常數(shù);是等離子體電子振蕩頻率。

由此可得等離子體相對(duì)介電常數(shù)

在一般低溫低氣壓等離子體放電工作狀態(tài)下,電子的碰撞頻率約為108s-1,所以在分析1 GHz以上的微波時(shí),可以把它忽略,于是有對(duì)此,通常分以下情況考慮：

a)ω＞ωpe：n為一小于1的正實(shí)數(shù),電磁波可在等離子體中傳播,并且其相速度大于光速;

因此,定義 fc為電磁波的截止頻率,它滿足

2.2 垂直入射時(shí)電磁波的反射率

如果等離子體有明確的邊界,電磁波由真空射入到等離子體及由等離子體射入到真空時(shí)都會(huì)在交界面上發(fā)生反射,其反射率可以利用傳輸線的模型來(lái)描述[7],電磁波由介質(zhì)1到介質(zhì)2的反射率為

2.3 入射角對(duì)反射的影響

電磁波在等離子體表面的反射情況類似于光學(xué)中的全反射現(xiàn)象。當(dāng)電磁波斜入射到等離子體時(shí),等離子體相對(duì)折射率要求會(huì)有所降低,即等離子體密度要求會(huì)相應(yīng)降低[3],此時(shí)等離子體密度Ne與入射角θ及電磁波的頻率ω滿足如下關(guān)系

3.實(shí)驗(yàn)與仿真介紹

3.1 等離子體片的產(chǎn)生

等離子體產(chǎn)生裝置如圖1所示,線形空心陰極在高壓條件下會(huì)發(fā)射出高密度電子束,電子束在亥姆霍茲線圈所生成的均勻磁場(chǎng)約束下向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)同時(shí)碰撞電離周圍的氣體形成等離子體片。

實(shí)驗(yàn)所采用的空心陰極長(zhǎng)60 cm,空心槽的寬度為1.6 cm,與陽(yáng)極距離也是60 cm,能生成尺寸約為60 cm×60 cm×2 cm的大面積等離子體片。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖2所示,發(fā)射天線為一面徑30 cm的標(biāo)準(zhǔn)拋物面天線,其中心頻率為5.8 GHz,垂直線性極化,半功率角約為12度。

圖2 測(cè)試方法示意圖

發(fā)射天線的工作頻率定在5.8 GHz,置于距等離子體片軸心65 cm處,等離子體片相對(duì)垂直入射時(shí)偏轉(zhuǎn)了30度,接收天線1正對(duì)拋物面,接收天線2位于以拋物面為參考的反射方向。接收天線1和2都是標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線,置于以等離子體片中心線為軸心的圓上,距離滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)射天線,可以測(cè)出天線經(jīng)過(guò)等離子體片以后透射方向及反射方向的方向圖。

3.3 FDTD仿真

FDTD仿真的物理模型與實(shí)驗(yàn)條件基本一致。等離子體片的厚度取為2 cm,電子碰撞頻率為1×108Hz,采用均勻非磁化模型。考慮到是5.8 GHz的微波,空間網(wǎng)格設(shè)為5 mm,局部邊界部位的網(wǎng)格按需設(shè)為1 mm。仿真時(shí)分別選用3×1011cm-3、7×1011cm-3的等離子體片及同面積1 cm厚的鋁板,計(jì)算了在反射面相對(duì)垂直入射偏轉(zhuǎn)0度、10度、20度、30度及40度時(shí)的水平方向圖。

4.實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果

4.1 等離子體片偏轉(zhuǎn)30度角時(shí)方向圖

將實(shí)驗(yàn)所測(cè)的反射、透射方向圖與仿真所得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖3。圖中實(shí)測(cè)曲線是在放電電壓為2.5 kV時(shí)測(cè)得,仿真所得的反射與透射方向圖形狀及分布與實(shí)測(cè)的結(jié)果吻合,其中等離子體密度取2×1011cm-3時(shí)仿真所得的反射峰與透射峰幅值與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

4.2 等離子體密度對(duì)反射率的影響

圖4為等離子體片相對(duì)微波垂直入射位置偏轉(zhuǎn)30度所得的微波反射率隨等離子體密度變化曲線。受實(shí)驗(yàn)條件限制,目前暫時(shí)無(wú)法直接測(cè)出等離子體的密度。圖中實(shí)測(cè)曲線是參照等離子體放電相關(guān)理論近似認(rèn)為等離子體密度正比于輸入功率所得。將仿真結(jié)果與之對(duì)比,兩者的變化趨勢(shì)一致,因此可初步認(rèn)可仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.3 等離子體與金屬反射時(shí)的方向圖對(duì)比

圖5～圖9為不同角度等離子體與金屬仿真所得的方向圖。圖5是反射面與拋物面天線正對(duì)時(shí)所得方向圖,由于反射方向上拋物面的作用,增益及形狀都受到影響。由圖6可看出,10度角方向也有一定的影響。觀察20度以上的方向圖可知,進(jìn)行角度掃描時(shí),天線的增益基本保持不變。

等離子體密度取7×1011cm-3時(shí),其反射峰與金屬的反射峰幾乎完全重合。而3×1011cm-3等離子體的反射峰與金屬的差距隨角度的增大而減小,由此也印證了公式(5)所表達(dá)的角度關(guān)系。

5.結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)及仿真的手段初步研究了大面積等離子體片對(duì)微波的反射特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了大面積等離子體片的反射方向圖,等離子體密度對(duì)反射率的影響等。仿真得出了不同密度不同角度情況等離子體片的微波反射特性,并將結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析。

本文初步驗(yàn)證了FDTD仿真方法用于反射面分析時(shí)的準(zhǔn)確性。仿真所得不同角度下的方向圖為等離子體反射面天線的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

目前由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,我們暫時(shí)還無(wú)法進(jìn)行精確全面的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。將會(huì)在今后的工作中把實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試條件改進(jìn),對(duì)等離子體與微波相互作用的特性進(jìn)行更為深入的研究。

[1]VIDMA R R J.On the use of atmospheric pressure plasmas as electromagnetic reflectors and absorbers[J].IEEE T rans.Plasma Sci.,1990,18(4)：733-741.

[2]ROBSON A,MORGAN R and M EGER R.Demonstration of a plasma mirror for microwaves[J].IEEE Trans.Plasma Sci.,1992 20(6)：1036-1040.

[3]MEGER R,FERNSLER R F,GREGOR J,et al.XBand Microwave Beam Steering Using a Plasma Mirror[C]//Proceedings IEEE Aerospace Conference.Snowmass at Aspen,CO,USA,1997,4：49-56.

[4]DESTLER W W,DEGRANGE J E,FLEISCHM ANN H H,et al.Experimental studies of high-power microwave reflection,transmission,and absorption from a plasma-covered plane conducting boundary[J].J.Appl.Phys.,1991,69(9)：6313-6318.

[5]徐利軍,莫錦軍,袁乃昌.磁化等離子體覆蓋二維導(dǎo)體目標(biāo)FDTD分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2006,21(6)：925-928.XU Lijun,MO Jinjun,YUAN Nangchang.FDTD analysis of 2-dimensional conducting target coated with anisotropic magnetized plasma[J].Chinese Journal of Radio Science,2006,21(6)：925-928.(in Chinese)

[6]JENN D C.Plasma Antennas：Survey of Techniques and the Current State of the Art[R].NPS-CRC-03-001(Report for Naval Postgraduate School),2003.

[7]項(xiàng)志遴,俞昌旋.高溫等離子體診斷技術(shù)(下冊(cè))[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社,1982.