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.中國科學院空間科學與應用研究中心,北京 100190;2.中國科學院研究生院,北京 100049)

1.引 言

遠距離短波通訊中利用電離層對電磁波的反射是人們所熟知的,電離層中對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天線技術研究的一個新方向[1-2]。

美國海軍研究實驗室(NRL)的ROBSON A E等人于20世紀90年代初開展了“捷變鏡”雷達的研究。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。控制不同方向的等離子體片放電可以實現微波波束的方位掃描[2-3],這個過程是由電子開關的通與斷來實現,不存在機械轉動,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)”。

目前關于等離子體對微波反射特性的研究主要集中在等離子體隱身技術方向,由于關注點的不同,所研究的等離子體位形及參數與反射面天線中的大面積等離子體片有很大不同[4-5]。我們在實驗室中搭建了類似于NRL的實驗裝置,生成了60 cm×60 cm×2 cm的等離子體片,對其反射特性進行了初步的實驗研究。此外,還結合實驗參數條件,采用FDTD方法,利用非磁化均勻等離子體模型對其中的電磁傳播過程進行了仿真分析。

2.理論介紹

2.1 電磁波在等離子體中的傳播

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

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

由此可得等離子體相對介電常數

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

a)ω＞ωpe：n為一小于1的正實數,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都會在交界面上發生反射,其反射率可以利用傳輸線的模型來描述[7],電磁波由介質1到介質2的反射率為

2.3 入射角對反射的影響

電磁波在等離子體表面的反射情況類似于光學中的全反射現象。當電磁波斜入射到等離子體時,等離子體相對折射率要求會有所降低,即等離子體密度要求會相應降低[3],此時等離子體密度Ne與入射角θ及電磁波的頻率ω滿足如下關系

3.實驗與仿真介紹

3.1 等離子體片的產生

等離子體產生裝置如圖1所示,線形空心陰極在高壓條件下會發射出高密度電子束,電子束在亥姆霍茲線圈所生成的均勻磁場約束下向陽極運動同時碰撞電離周圍的氣體形成等離子體片。

實驗所采用的空心陰極長60 cm,空心槽的寬度為1.6 cm,與陽極距離也是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 實驗方案

本實驗設計如圖2所示,發射天線為一面徑30 cm的標準拋物面天線,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 測試方法示意圖

發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,等離子體片相對垂直入射時偏轉了30度,接收天線1正對拋物面,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都是標準喇叭天線,置于以等離子體片中心線為軸心的圓上,距離滿足遠場條件。在一定角度內轉動發射天線,可以測出天線經過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驗條件基本一致。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,空間網格設為5 mm,局部邊界部位的網格按需設為1 mm。仿真時分別選用3×1011cm-3、7×1011cm-3的等離子體片及同面積1 cm厚的鋁板,計算了在反射面相對垂直入射偏轉0度、10度、20度、30度及40度時的水平方向圖。

4.實驗與仿真結果

4.1 等離子體片偏轉30度角時方向圖

將實驗所測的反射、透射方向圖與仿真所得的結果進行對比,如圖3。圖中實測曲線是在放電電壓為2.5 kV時測得,仿真所得的反射與透射方向圖形狀及分布與實測的結果吻合,其中等離子體密度取2×1011cm-3時仿真所得的反射峰與透射峰幅值與實測結果基本一致。

4.2 等離子體密度對反射率的影響

圖4為等離子體片相對微波垂直入射位置偏轉30度所得的微波反射率隨等離子體密度變化曲線。受實驗條件限制,目前暫時無法直接測出等離子體的密度。圖中實測曲線是參照等離子體放電相關理論近似認為等離子體密度正比于輸入功率所得。將仿真結果與之對比,兩者的變化趨勢一致,因此可初步認可仿真結果的準確性。

4.3 等離子體與金屬反射時的方向圖對比

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時所得方向圖,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,進行角度掃描時,天線的增益基本保持不變。

等離子體密度取7×1011cm-3時,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)所表達的角度關系。

5.結 論

通過實驗及仿真的手段初步研究了大面積等離子體片對微波的反射特性。實驗測試了大面積等離子體片的反射方向圖,等離子體密度對反射率的影響等。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,并將結果與實驗進行了對比分析。

本文初步驗證了FDTD仿真方法用于反射面分析時的準確性。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計提供了一定的參考。

目前由于實驗條件的限制,我們暫時還無法進行精確全面的實驗測試。將會在今后的工作中把實驗裝置及測試條件改進,對等離子體與微波相互作用的特性進行更為深入的研究。

[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體目標FDTD分析[J].電波科學學報,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]項志遴,俞昌旋.高溫等離子體診斷技術(下冊)[M].上海：上海科學技術出版社,1982.