電磁波在冷等離子體中碰撞吸收特點(diǎn)研究

吳成國(guó)，武文遠(yuǎn)，龔艷春，何蘇紅，杜華月，戴斌飛

（解放軍理工大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京 210011）

電磁波在冷等離子體中碰撞吸收特點(diǎn)研究

吳成國(guó)，武文遠(yuǎn)，龔艷春，何蘇紅，杜華月，戴斌飛

（解放軍理工大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京 210011）

在建立平面分層冷等離子體模型基礎(chǔ)上，采用WKB方法求解垂直入射面電磁波動(dòng)方程，研究了電磁波與等離子體傳播碰撞吸收過程中電磁波能量的變化規(guī)律。計(jì)算表明，電磁波的入射角度顯著地影響等離子體對(duì)電磁波碰撞吸收衰減；等離子體有效碰撞頻率不同，電磁波吸收衰減峰值不同，最大吸收位置所對(duì)應(yīng)的入射波頻率也不同。

電磁波；低溫等離子體；碰撞吸收；WKB

等離子體隱身技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是等離子體不僅吸收雷達(dá)波，還吸收紅外輻射，具有吸收頻帶寬、吸收率高的特點(diǎn)。研究等離子體隱身技術(shù)的關(guān)鍵是要掌握等離子體與電磁波相互作用機(jī)理［1－2］。等離子體隱身原理是通過等離子體與電磁波的相互作用，使電磁波能量衰減或改變電磁波傳播方向，從而降低目標(biāo)后向散射截面［3］。由此可以看出，等離子體隱身主要機(jī)理包括等離子體對(duì)電磁波能量的吸收和電磁波傳播方向的改變兩部分。

筆者采用WKB方法求解波動(dòng)方程，對(duì)垂直于入射面電磁波在等離子體中碰撞吸收特點(diǎn)進(jìn)行了研究。在建立平面分層等離子體模型基礎(chǔ)上，利用Matlab模擬方法，在給出了幾種典型參數(shù)（電子密度分布函數(shù)、等離子層厚度等）基礎(chǔ)上，討論了等離子體碰撞吸收電磁波能量的變化規(guī)律。

1 模型建立和波動(dòng)方程求解

當(dāng)前人們對(duì)等離子體隱身技術(shù)研究主要集中在飛行系統(tǒng)。以飛機(jī)為例，因飛機(jī)外殼是由導(dǎo)體組成的，為不使導(dǎo)體與大氣接觸，在飛機(jī)某些關(guān)鍵部位通過局部放電的方式產(chǎn)生一層具有一定厚度的不均勻等離子體，使等離子體外圍接觸的是大氣環(huán)境，從而隔開了飛機(jī)外殼與大氣的接觸。為了突出研究重點(diǎn)，僅研究電磁波和等離子體相互作用機(jī)理。

當(dāng)垂直入射面平面電磁波斜入射到等離子體中時(shí)，對(duì)于分布不均勻的等離子體，（為了從理論上便于研究）將等離子體看作是平面分層各向同性介質(zhì)［4］。沿著軸方向，等離子體呈不均勻分布，而在垂直于軸的方向即在平面內(nèi)分布是均勻的，如圖1所示。

在平面分層各向同性介質(zhì)內(nèi)，設(shè)相對(duì)介電系數(shù)ε（r）是z的函數(shù)。根據(jù)以上模型特點(diǎn)可知，當(dāng)電磁波在其中傳播時(shí)，若電矢量E沿著y軸方向，磁矢量H沿著x軸方向，電磁波沿著軸傳播，則應(yīng)滿足，只是根據(jù)麥克斯韋方程組，可得電磁波在平面分層各向同性介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)波動(dòng)方程具體表達(dá)形式：

其中q2（z）＝n2（z）－sin2θn，n（z）表示介質(zhì)折射率。對(duì)等離子體而言，當(dāng)考慮等離子體粒子間碰撞時(shí)，其等效介電系數(shù)為復(fù)數(shù)，即有：

其中：ω為入射電磁波頻率；ven為等離子體有效碰撞頻率為等離子體角頻率。

根據(jù)菲涅爾定律

則方程（1）的WKB近似解為

圖1 電磁波在金屬襯底等離子體中傳播示意圖

其中：A為常數(shù)。

當(dāng)電磁波傳播到等離子體和導(dǎo)體界面時(shí)，將發(fā)生全發(fā)射。因此電磁波從空氣中以角度θ0入射到等離子體層并在導(dǎo)體表面處被反射回來，然后再次被等離子體吸收［5］。當(dāng)電磁波再次傳播到等離子體和空氣邊緣處時(shí)，發(fā)生雙程衰減，再次回到等離子體和空氣表面時(shí)的能量為

電磁波的雙程衰減（d B）為

2 數(shù)值計(jì)算和討論

根據(jù)上述電磁波的雙程衰減表達(dá)式，利用Matlab7.0進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算等離子體電子密度為拋物線分布時(shí)，不同入射角和不同有效碰撞頻率下，入射電磁波的頻率變化在等離子體中能量衰減的規(guī)律。

取等離子體電子密度分布函數(shù)為Ne＝為最大電子密度數(shù)，取為2.0×1017m－3，等離子層總厚度為d＝80 mm。圖2給出了在有效碰撞頻率ven＝5 GHz情況下，電子密度分布Ne＝4.0×1016m－3時(shí)不同入射角對(duì)電磁波在等離子體中衰減的影響。從圖2中可以看出，電磁波的入射角度顯著地影響等離子體對(duì)電磁波碰撞吸收衰減。隨著電磁波入射角度增加，電磁波的衰減峰值也顯著增加。同時(shí)還看到，電磁波的入射角度并不能影響電磁波在非均勻等離子體中的共振衰減位置。這是因?yàn)楣舱裰荒馨l(fā)生在入射電磁波與等離子體頻率相等的時(shí)候，由于設(shè)定等離子體有效碰撞頻率不變，因此雖然電磁波入射角度不同，但是共振衰減位置不變。

圖3描述了對(duì)于不同的等離子體有效碰撞頻率，電磁波衰減與入射波頻率關(guān)系的曲線。等離子體密度均取為Ne＝4.0×1016m－3，電磁波入射角度θ0＝45°。從圖3中可以看出，隨著有效碰撞頻率的增大，吸收衰減的峰值在顯著減小，同時(shí)最大吸收位置對(duì)應(yīng)的入射波頻率在增大；對(duì)于一定密度等離子體，對(duì)某一頻率的入射波都有一個(gè)極大吸收，當(dāng)其有效碰撞頻率不同，其吸收衰減峰值也不同，最大吸收位置所對(duì)應(yīng)的入射波頻率也不同。

圖2 不同入射角度θ0，電磁波的雙程衰減（Att）與入射波頻率ω的關(guān)系，其中有效碰撞頻率ven＝5 GHz

3 結(jié) 論

當(dāng)前人們對(duì)等離子體技術(shù)的研究，主要應(yīng)用于飛行系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上筆者對(duì)冷等離子體建立平面分層模型，采用WKB近似方法求解垂直于入射面電磁波動(dòng)方程，研究了電磁波與等離子體傳播碰撞吸收過程中電磁波能量的變化規(guī)律。在有效碰撞頻率和電子分布密度確定情況下，電磁波的入射角度增大，電磁波的衰減峰值也顯著增加；在等離子體密度和電磁波入射角度確定情況下，有效碰撞頻率增大，電磁波吸收衰減峰值顯著減小，最大吸收位置所對(duì)應(yīng)的入射波波頻率增大。

圖3 入射角度θ0＝45°，不同有效碰撞頻率ven，電磁波的雙程衰減（Att）與入射波頻率ω的關(guān)系

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P354；O442

A

1008-1542（2011）07-0201-03

2011-06-20；責(zé)任編輯:王士忠

吳成國(guó)（1975-），男，安徽蕪湖人，講師，碩士，主要從事磁性材料理論與實(shí)驗(yàn)方面的研究。