感性耦合夾層等離子體隱身天線罩電磁散射分析

陳俊霖，徐浩軍，魏小龍，陳增輝，呂晗陽

空軍工程大學 航空航天工程學院，西安 710038

等離子體隱身技術是一種新概念的隱身技術，具有吸波頻帶寬、隱形效果好、不改變目標的外形、使用時間長、可以通過開關迅速地讓等離子體產生和消失等優點[1-3]。在飛行器中天線罩是一種強散射源，電磁波可透過天線罩照射在雷達天線的復雜結構上形成很強的后向散射，感性耦合等離子體(ICP)可以在較低的射頻功率和放電氣壓下獲得穩定均勻、大面積高密度的等離子體，且裝置結構簡單，參數易于調節[4-6]，因此研究ICP在天線罩隱身技術上的應用具有較大的實際意義。

國內外相關學者在等離子體隱身效果的計算上做了大量工作，文獻[9]采用Wenzel-Kramers-Brillouin (WKB)方法和分層近似研究了電磁波在非均勻等離子體中的傳輸特性，文獻[10]采用Z變換時域有限差分 (ZT-FDTD) 方法研究了不同電子密度和碰撞頻率的等離子體覆蓋圓柱目標的雷達散射截面(Radar Cross Section，RCS)，文獻[11]采用分段線性電流密度卷積時域有限差分(FDTD)方法分別計算了電磁波在磁化和非磁化、均勻和非均勻等離子體中的散射特性，并分析了在假設等離子體分布模型的覆蓋下三維目標的RCS變化，文獻[12]計算了薄層等離子體的衰減率，獲得了大氣等離子體在中高碰撞情況下的衰減系數。

前述的研究對等離子體參數空間分布普遍采用假設分布，如線性分布、二次分布、指數分布，直接利用假設分布構建WKB或時域有限差分模型計算等離子體的電磁散射特性，沒有較好地解決等離子體放電與電磁散射特性計算的耦合問題，不能較好地反映實際分布的等離子體源對覆蓋目標電磁散射特性的影響。

針對前述工作存在的不足，本文設計了一種石英夾層ICP天線罩模型，采用有限元和ZT-FDTD聯合仿真的方法，建立二維等離子流體模型，得到了穩態下ICP中與電磁散射相關的電子密度空間分布，在此基礎上建立ZT-FDTD模型，利用自編程序ZT-FDTD計算了不同放電條件下石英夾層ICP隱身天線罩的電磁散射特性，利用微波干涉法實驗及XFDTD對軟件計算方法進行了驗證，該方法可為等離子體隱身實驗的放電參數選擇提供依據。

1 物理模型

本文研究的石英艙夾層ICP隱身天線罩模型如圖1所示。天線罩外形是簡單的旋轉空心橢球體，外側長半軸為10 cm，短半軸為8 cm，內側長半軸為8 cm，短半軸為6 cm，中間夾層為等離子體產生區；在底部的石英窗下安裝平面型線圈天線，該天線采用空心銅管繞制而成，外徑為8 mm，內徑為6 mm，匝數為一圈，直徑為15 cm；為保證放電天線的長時間穩定工作，射頻線圈連接自動循環水冷系統；射頻電源為RSG-1000型，工作頻率為13.56 MHz，額定輸出功率為1 000 W，在功率源和射頻線圈之間連接有自動射頻阻抗匹配器以調節反射功率使其達到最小。在石英窗下側對稱安裝2個直徑為15 mm的石英接口，用于連接工質氣體和真空泵。

工質氣體設置為氬氣，腔室內氣壓為2 Pa和20 Pa，放電功率為400～700 W，氣溫為常溫293 K，根據天線罩模型設置放電特性的計算區域(圖1)。

2 計算方法

2.1 ICP流體模型

在低溫等離子體中，電子和電子能量的輸運可以用一對擴散漂移方程來描述[13]，電子連續性方程為

(1)

電子能量密度連續性方程為

(2)

表1 模型涉及的化學反應Table 1 Chemical reaction of model

注：a為依賴于電子能量的分布函數。

重粒子的質量守恒采用混合平均方法進行計算，對于粒子k，滿足：

(3)

式中：jk為擴散流矢量；Rk為粒子k的產生率；u此刻代表重粒子的平流流速；ρ為重粒子的混合密度；ωk為第k種粒子的質量分數。

腔體中的矢量磁勢分布由頻域的安培定律求解得到，即

(4)

式中：σ為電導率，σ=nee2/[me/(jω+vm)];me為電子質量，vm為碰撞頻率;w為電磁角頻率；ε0為真空中的介電常數；εr為相對介電常數；A為矢量磁勢；μ0為真空中的磁導率；μr為相對磁導率；Je為線圈電流。

由法拉第定律，該磁場會在腔體中感應出電場：E=-jωA。

因此等離子體輸入功率為

Pind=(1/2)real(E·J)

(5)

式中：J=σEe為腔體內的感應電流。電子和電子能量的邊界條件設置不考慮電子的二次發射：

-n·Γe=(1/4)·veth·ne

(6)

-n·Γε=(5/3)·(veth·nε)/4

(7)

式中：n為邊界表面的法線；veth為電子熱運動速度。

由式(1)～式(7)可知該流體模型包含一組高度非線性且相互耦合的偏微分方程，用解析方法無法進行求解，本文利用軟件COMSOL-Multiphysics中的等離子體模塊對該流體模型進行求解。

COMSOL在求解過程中采用的是有限元方法。有限元法是基于變分原理和加權余量法的一種差分方法，其基本思想是將模型的求解域分割為有限多個互不重疊且在頂角處相互聯接的小單元，這些小單元又稱為基元，基元的角點稱為節點，在每個基元內選擇恰當的插值函數，將偏微分方程組中的所求變量分解為各節點上插值函數的線性組合，從而將非線性偏微分方程組近似為矩陣方程并進行求解。

網格是進行有限元計算的關鍵因素，對計算結果精度有著很大的影響。由于等離子體放電過程涉及的物化反應主要在放電腔室區域內進行，同時由于感應耦合放電具有趨膚效應等特點，在腔室壁面附近反應較為強烈。因此，本文采用了不同方式對各區域進行網格生成，如圖2所示。對放電腔室區域進行加密處理生成高密度網格，并采用了邊界層網格，其他區域網格較為稀疏，以減小計算量。

2.2 ZT-FDTD模型

電磁波在等離子體中的傳播過程采用Maxwell方程表示為

(8)

(9)

(10)

式中：H為磁場矢量；Jd為極化電流密度wp為等離子特徑頻率。

本文采用ZT-FDTD方法作為等離子體與電磁波相互作用的計算分析方法。Z變換法可直接將電磁場方程在Z域內表征為離散差分方程，避免了積分項的引入，易于計算機編程且具有較高的精度[16]。等離子體在Z域上的本構關系為

D(z)=E(z)+S(z)

(11)

式中:D(z)為電位移矢量在Z域上的表達式，S(z)為輔助參量，表達式為

S(z)=z-1S(z)[1-exp(-vmΔt)]-

Δt[1-exp(-vmΔt)]

(12)

其中:含z-1和z-2的項分別代表輔助參量S(z)的前兩個時間步的取值。ZT-FDTD對等離子體中電磁波的各場量的遞推方法如式(13)～式(16)所示：

En=Dn-Sn

(13)

Sn=Sn-1[1-exp(-vmΔt)]-Sn-2·

(14)

(15)

(16)

該模型計算區域分為3個功能區：總場區、散射場區和完全匹配層(UPML)，如圖3所示。在等離子體層下方有一塊圓形銅板模擬天線，為降低建模難度，忽略了用于約束等離子體的石英結構，入射電磁波為覆蓋主要雷達波頻段的高斯脈沖，入射方向為天線罩軸線方向，極化方向為θθ極化。

計算中Yee元胞邊長為3 mm，時間步長設為電磁波通過半個網格空間步長的時間。在等離子體區域迭代計算時，從流體模型計算得到的ωp的采樣點數量是等離子體區域網格數量的4倍，每一個元胞中有9個采樣點。介質界面處電磁參數的選取及完全匹配層的設置均參考文獻[17-18]。

由上述ZT-FDTD方法計算得到近場后利用惠更斯遠-近場變換公式可得到等離子體天線罩在某一方向的散射電場(設為Es(t))。經過傅里葉變換，可得其對應的頻譜Es(f)為

(17)

同樣，經過傅里葉變換也可以得到入射波Ei(t)對應的頻譜Ei(f)為

(18)

根據RCS的定義，可得到目標在某一方向的RCS隨頻率的變化為

(19)

式中:r為目標到雷達的矩離。

為驗證該算法及開發程序的正確性和有效性，分別用自編的ZT-FDTD程序和XFDTD軟件計算無等離子體及等離子體均勻分布且電子密度為1×1017m-3，氣壓為2 Pa時天線罩的后向RCS，結果數據對比如圖4所示。

可以看出，在有/無等離子體的條件下，采用ZT-FDTD得到的計算結果與XFDTD軟件結果都能較好地吻合，在某些頻段存在一定的差異，這主要是因為網格的剖分密度不同造成的。

3 計算結果分析

3.1 ICP電子密度空間分布

運用COMSOL軟件中的等離子體模塊對上述流體模型進行運算，圖5(a)和圖5(b)為在放電功率PD為400 W，氣壓為2 Pa和20 Pa時由流體模型得到的在放電處于穩態時的電子密度分布,橫坐標R為柱坐標的徑向坐標。可以看出，氣壓為2 Pa時其夾層區域電子密度沿腔體分布較均勻，這是因為此時電子的平均自由程(約為2.2 cm)和放電的夾層區域的尺寸差不多，此時雖然電源能量主要注入到射頻電磁場趨膚層內，但由于電離過程的變化尺度和電子平均自由程相近使得電子能擴散至整個腔體，從而使夾層內電子密度的空間分布仍然比較均勻[19]。而在氣壓為20 Pa時電子密度明顯提高，同時沿著腔體分布具有較大梯度，出現這種現象的原因是氣壓為20 Pa時電子平均自由程相比于2 Pa時下降了10倍，遠小于夾層區域尺寸，碰撞電離主要被限制在射頻電磁場的趨膚層內，導致ne在腔體夾層區域中的分布出現較大梯度，同時氣壓升高導致碰撞頻率有效提高，使電子密度有效增強[20]。

為驗證流體模型的準確性，基于圖1的模型開展放電實驗，運用微波干涉法對等離子體電子密度進行診斷，其實驗系統裝置如圖7所示，該系統由矢量網絡分析儀和喇叭天線組成，在石英腔底面放置鋁板，由矢量網絡分析儀記錄微波信號通過等離子體后的相移Δφ，在鋁板下方放置吸波材料。

微波探測路徑上等離子體的平均電子密度為[21]

(20)

圖8為不同放電條件下實驗結果與計算結果的對比。可以看出實驗結果與仿真結果符合較好，微波干涉法診斷結果略低于流體模型結果，這主要是由于在流體模型中沒有考慮功率損失、容性分量等對的影響，同時也可以看出隨著功率提高，模型的誤差減小，說明在低功率情況下，容性分量在總耦合功率中占比較高。

3.2 等離子體天線罩隱身效果分析

圖9給出放電氣壓為2 Pa，不同放電功率PD下和無等離子體時天線罩的后向RCS對比。加上ICP后，在低頻段(0～0.7 GHz)，RCS變化很小，這是由于此時電磁波波長遠大于天線罩尺寸，天線罩處在電磁散射的瑞利區，RCS主要由天線罩體積決定；而在2 GHz以上較寬的頻率范圍內加上ICP后可使天線罩的RCS明顯下降。

由于氣壓在2 Pa時碰撞頻率處于106Hz量級，而對應的頻率處于1 GHz量級：ωp?vm，碰撞衰減較弱，因此在2～20 GHz頻段內，對RCS的平均衰減較低，但在接近等離子體頻率的局部窄帶衰減較高，衰減的峰值隨著功率的增大向高頻方向移動，這是因為當入射電磁波的頻率接近時，會產生較強的共振衰減作用，衰減峰值區出現在4.2～5.1 GHz頻帶內，功率增加衰減峰值不一定增加。

圖10為放電氣壓為20 Pa，不同放電功率PD下和無等離子體時天線罩的后向RCS對比，相比于氣壓為2 Pa，此時RCS衰減超過10 dBsm的頻帶更寬，同時衰減效果也有所增加，這是由于此時電子密度分布不均勻使得等離子體振蕩頻率在空間有較大梯度，因此在更寬的頻段范圍均能對電磁波造成共振衰減，同時，等離子體碰撞頻率提高了10倍，使得碰撞衰減增強，從而有效增強衰減效果。主衰減頻帶隨著功率的升高向高頻方向移動，同時曲線的波動特性加強，即出現“振鈴”現象[22]，這是由于ωp空間梯度的擴大加劇了散射波的繁雜性，導致RCS的波動特性加強。

4 結 論

1) 感性耦合等離子體可產生較高電子密度的等離子體，能有效實現RCS的減縮。

2) 氣壓為2 Pa時，碰撞衰減較弱，等離子體密度分布較均勻，衰減帶寬集中在共振頻率附近，功率增加會使衰減峰值向高頻方向移動。

3) 氣壓為20 Pa時，碰撞衰減增強，且等離子體密度分布有較大梯度，衰減帶寬有效增加，RCS曲線的波動特性加強。

參 考 文 獻

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