薄層等離子體增強微波接收特性實驗及數值仿真

孔繁榮 李博文 聶秋月 王志斌 張曉寧 江濱浩

摘 要：等離子體是一種多模式、寬頻譜電磁介質，可以與不同波段電磁波相互作用，實現對電磁信號的調制。報告了薄層等離子體增強微波信號接收特性實驗研究的初步結果，并進行了數值仿真分析。在實驗中發現了薄層等離子體結構對微波電磁信號的接收增強效果;且這種技術不僅可以在較寬頻帶內提高天線接收到電磁輻射的強度，同時也保持了良好的微波信號質量。進一步建立了相應物理模型并對實驗結果進行了數值仿真分析研究。基于局域表面等離子體激元理論，分析了微波接收信號增強的機理，并初步得到了微波頻率、薄層厚度、碰撞頻率等參數對微波接收增強特性的調制規律。

關鍵詞：薄層等離子體;微波輻射接收增強;增強控制規律

中圖分類號：TM 15;TN 91

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2019）04-0020-08

0 引 言

微波電磁輻射增強技術是發展遠距離電磁通信、探測、控制的關鍵技術，與國家重大戰略需求緊密相關。傳統增強微波電磁輻射的技術主要包括有源加載和天線的優化設計，如采用陣列化天線、反射面天線等[1-5]。然而這些增強微波電磁輻射的方式多存在電磁互耦嚴重、集成難度高、隱蔽性不好等問題，直接影響了微波通信系統的工作效率。為了適應微波通信、測控技術等科技領域的發展需求，需要在傳統電磁輻射信號增強技術的基礎上，進一步發展電磁輻射增強的新方法和新技術。

具有特殊電磁性質的超材料在調制增強微波電磁輻射特性領域已經取得豐碩成果[6-8]。等離子體作為一種多模式、寬頻帶的特殊電磁介質，在調制電磁輻射方面具有其他超材料不具備的潛在優勢，為電磁信號的調制增強提供了可行途徑。上世紀七十年代初，比利時皇家軍事學院研究人員Messiaen等人通過實驗研究了等離子體薄層包覆的球形偶極子天線的輻射特性，首次發現當等離子體頻率大于天線工作頻率時，亞波長尺度的等離子體薄層可對微波頻段電磁信號起到增強作用[9]。此后，美國密西根州立大學K. M. Chen和C. C. Lin進一步驗證了這一效應，并對輻射增強效果與關鍵等離子體參數的關系進行了初步的實驗研究及理論探索[10-12]。Ziolkowski等人對等離子體近場包覆的電小天線輻射增強特性進行了數值仿真研究，并提出等離子體和自由空間之間的匹配可以減小天線系統的阻抗特性，從而提高電磁輻射強度[13-15]。Wang等人從電場折射反射和電磁波相位調制的角度分析了輻射增強的機制[16-17]。在此基礎上，Kong等人將這一技術的可增強頻段從甚高頻波段進一步提升到通信常用的L波段，在實驗中觀察到了等離子體包覆天線的全向輻射增強效應，對于等離子體匹配作用、密度分布等因素對增強作用的影響給出了進一步分析[18-20]。

在以上工作的基礎上，針對發射信號的等離子體調制增強技術已經獲得比較系統的研究。但對于接收信號的等離子體增強研究尚未見到報道。研究等離子體對電磁信號的接收增強效應和規律特性對于擴展該技術在通信和控制領域的應用具有重要意義。

本文通過實驗手段和數值模擬方法研究等離子體對于電磁波的接收增強效應。本文利用電感耦合等離子體發生技術設計相應的實驗平臺，針對典型工況下的等離子體增強電磁波輻射的接收特性開展實驗研究;建立了相應的物理模型并進行數值仿真分析。在數值仿真中，本文通過有限元法求解麥克斯韋方程組，分析了薄層等離子體增強接收微波電磁輻射的特性和機理，給出了等離子體關鍵參數對于增強電磁波輻射接收效應的影響規律。

1 實驗設置及結果分析

1.1 實驗平臺設計

為了研究薄層等離子體對微波的接收增強特性，本文建立了相應的實驗平臺，如圖1所示。在本實驗中，等離子體在一個圓柱型真空區域里由電感耦合等離子體（ICP）發生器產生。ICP發生器為雙層中空圓柱型結構，外層由圓柱型石英玻璃腔（直徑160 mm，厚度5 mm，長度150 mm）制成，內層是石英玻璃管（直徑為30 mm，厚度為1.5 mm，長度為200 mm）。其一端密封，另一端向空氣開放。兩個石英玻璃部件由兩端的不銹鋼蓋固定在同軸的位置。工作氣體控制系統和真空泵分別連接到不銹鋼蓋的對應結構上。實驗中的工作氣體為氬氣（氣壓約10 Pa），13.56 MHz的射頻功率源通過匝數為3的銅線圈電極纏繞在石英玻璃腔外，在中空圓柱型結構內部激發等離子體。

具有恒定輻射功率的電磁波由一個放置在遠端的寬帶加脊喇叭天線發射作為入射信號（可對入射信號做平面波近似），該天線與矢量網絡分析儀（R&S ZNB 40）的端口1相連接。偶極子天線放置在石英玻璃管中心、并通過信號放大器（HP 8449B）連接到矢量網絡分析儀端口2。則等離子體對電磁信號的調制效應可以通過矢量網絡分析儀端口1和2之間的傳輸系數 |S21| 測定。

1.2 實驗結果分析

利用上述的實驗平臺，本文測試了等離子體對接收微波信號的調制特性。通過分析矢量網絡分析儀端口1和2之間的天線傳輸系數 |S21|，可以得到發射天線和接收天線之間的功率傳輸效率。比較存在等離子體時（ICP處于工作狀態）的傳輸系數|S21|p 測試結果和無等離子體條件下（ICP處于關斷狀態）的傳輸系數 |S21|0，可以得到有、無等離子體作用下天線的接收功率比

在實驗中，本文采用的參數是：ICP功率為350 W（得到的等離子體密度約為1017 m-3，對應等離子體頻率約為3 GHz，大于入射電磁波頻率（0.8～1.2 GHz），因此是超臨界密度等離子體），等離子體層厚度約為6 cm（遠小于入射電磁波波長（約30 cm），為亞波長尺度），背景氣壓約5 Pa。通過改變入射微波頻率可得到有、無等離子體條件下的接收功率比隨微波頻率變化的曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，在薄層等離子體調制下，可以對0.83～1.16 GHz的微波信號產生明顯的接收增強，平均獲得約5 dB的理想增強效果。這證明了利用等離子體增強GHz波段微波信號接收功率的可行性，為這一技術應用于通信領域提供了實驗基礎。同時可以看出，接收功率比隨電磁波頻率波動較大，在0.86 GHz和1.05 GHz處出現顯著的增強鋒，最高增益可以達到約10 dB。這說明在一定密度下等離子體對微波的增強特性與微波頻率間具有一定依賴關系。本文還發現在這組參數下接收功率增強的頻率帶寬為330 MHz，對應的相對帶寬為32.7%，即具有寬頻帶增強特性。這些結果展示了薄層等離子體增強微波信號接收技術完全可以應用到常用的L波段通信頻率。

在研究薄層等離子體結構實現微波信號接收增強的同時，本文進一步關注了信號增強時的微波信道性質。為此本文分析了有、無等離子體時微波信號的相頻特性和群時延特性，通過實驗測得有無等離子體情況下S21相位和群時延隨頻率的變化曲線如圖3所示。

從該圖可以看出，經薄層等離子體結構增強的微波電磁信號與無等離子體時相比，相頻特性只發生輕微改變，但整體仍然保持相當好的線性趨勢。此外，經等離子體增強的微波電磁信號的群延遲時間也與無等離子體時處于同一水平。由此可見，圓筒型薄層等離子體結構在提高電磁信號強度的同時，也保持了良好的信號質量。這個結果進一步保證了薄層等離子體結構增強電磁輻射接收技術應用于微波通信系統的可靠性。

2 數值仿真

2.1 物理模型

圖4是平面電磁波入射圓筒型等離子體薄層結構的示意圖。

在數值仿真中，為了獲取電場分布，需求解麥克斯韋方程組：

2.2 等離子體薄層中增強微波信號的機理分析

本文采用有限元方法求解上述方程組，研究微波在圓筒型等離子體薄層中的傳輸特性。

在第一步仿真計算中，針對1 GHz目標波段，本文設定等離子體密度ne=2.7×1016 m-3（對應等離子體頻率約為1.5 GHz），圓筒型等離子體內/外半徑為6 cm和9 cm（等離子體薄層厚度為3 cm，遠小于入射電磁波波長），等離子體碰撞頻率取為0。

在實際仿真計算中設定電磁波頻率f0=0.947 GHz（波長約為30 cm），由此得到的圓筒型薄層等離子體中電場強度和電極化強度的分布如圖5所示。從圖5（a）可以看出，微波在薄層等離子體內外表面產生周期分布局域增強。這一現象類似納米光學中已經深入研究過的局域表面等離子體極化激元（Surface Plasmon Polarization， SPP）共振現象[21-23]，即入射電磁波在內外表面上的分量激發起來的等離子體表面波在周期性條件下形成的駐波結構。斜入射的電磁波在等離子體表面激發沿表面傳播的靜電振蕩電場（即朗謬爾振蕩）：在外電場作用下，等離子體中電子被這個振蕩電場拖拽并圍繞離子振蕩;在振蕩過程中，電子與離子的分離會在等離子體表面產生凈極化電荷，其密度為ρp=-·P，電極化強度為P=（εp-ε0）E。如圖5（b） 所示，電極化強度與電場強度分布具有較好的一致性。顯然，這個振蕩電場引起等離子體內表面的電場增強，從而耦合到接近內表面的接收天線，導致接收信號增強。以上分析給出了上文實驗中觀察到等離子體包覆接收天線信號增強的原因。

2.3 微波頻率變化對等離子體薄層增強效應的影響

實驗中發現入射微波信號頻率是影響等離子體薄層增強效應的一個重要參數。為了進一步研究其中的機理，本文通過固定其他參數、僅改變入射波頻率，研究了不同的電磁波頻率下在圓筒型等離子體薄層中激發的SPP電場。

設定圓筒型等離子體薄層參數與2.2節的情況相同，數值仿真得到不同入射微波頻率下等離子體薄層中 電場強度|E| 的空間分布如圖6所示。

可以看到，當數值仿真中入射電磁波頻率分別為f0=0.812 GHz、0.897 GHz、0.947 GHz、0.978 3 GHz、0.998 44 GHz和1.074 5 GHz時，等離子體薄層中激發的電場呈現規則的周期性的增強分布，且被增強電場最高可達100 V/m。這些規則的周期分布場具有特定的環向波數m（即環向極小值的個數），可稱為環形等離子體駐波本征模。隨著入射波頻率增大，對應的周期性本征模的波數增加。如圖6（a）～圖6（e），隨著入射頻率從0.812 GHz增加到0.998 GHz，駐波本征模的波數從m=6增加到m=14。但入射頻率增加到一定數值，本征模駐波就很難形成更精細的結構。如圖6（f），入射頻率進一步增加到1.075 GHz，駐波本征模的波數反而減少到m=10。即高波數的駐波本征模在實驗中難以發現。

2.4 等離子體厚度對微波增強的影響

從數值仿真結果可以看到，表面激發的SPP電場形成規則形狀的場分布（如圖5（a） 中m=10的模）是由特定結構的等離子體與外部電磁場之間的共振引起的。這種現象與許多束縛系統（如波導）中的本征模類似[23]。然而，本征頻率和相應的場分布對等離子體的結構是十分敏感的，因此本文進一步對薄層厚度對等離子體的增強特性影響進行了系統研究。

在仿真模擬中設定電磁波頻率f0 = 0.947 GHz，等離子體的外半徑固定為9 cm，通過控制內半徑參數，實現等離子體厚度在1～8 cm范圍變化。不考慮等離子體碰撞因素，不同等離子體厚度條件下的電場增益如圖7所示。

從圖7中可以看出，隨著等離子體厚度變化，電場增益在3 cm、4.1 cm和6.6 cm出現峰值。在圖7（b）和圖7（c）中給出了厚度d=4.1 cm和d=6.6 cm的電場強度空間分布。可以看到，等離子體厚度對電場增益影響顯著。因為不同厚度下SPP場分布不同，總增益也不同。此外，比較圖7（b）和圖6（c）可知，在相同電磁波頻率下，等離子體內徑越小（厚度越大），激發出的本征模的波數越少，這種情況下增強電場主要集中在圓柱體的中心區域。

2.5 碰撞頻率對微波信號的等離子體增強的影響

以上數值仿真研究均設定等離子體中帶電粒子的碰撞頻率為零。這對于納米光學的金屬等離子體是適用的，但是對低氣壓ICP等離子體，碰撞的影響有時可能是不能忽略的。因此本文在這一節中研究電子與中性粒子碰撞頻率對等離子體增強微波信號接收效果的影響。

圓筒型薄層等離子體對微波信號的增強效應與等離子體中電子-中性粒子碰撞頻率之間的關系如圖8（a）所示，同時圖8（b）和圖8（c） 分別給出了碰撞頻率分別為0.01 GHz（遠小于入射微波頻率的弱碰撞情況）和1 GHz（約等于入射微波頻率的強碰撞情況）時電場強度的空間分布。

設定等離子體厚度為3 cm。從圖8（a）可以看出，隨著碰撞頻率的增加，電場增益逐漸降低。這是因為電子與中性粒子之間的碰撞將消耗電磁波能量，導致局域電場共振效應逐漸減弱，從而顯著降低電場增益。其中在碰撞頻率 < 0.05 GHz的弱碰撞區和1～10 GHz的強碰撞區，電場增益隨碰撞頻率下降的趨勢基本相似;但是在0.05～1 GHz的中等強度碰撞區，下降較緩。而在碰撞頻率>10 GHz（遠遠大于入射頻率）的“超強”碰撞區，接收的微波信號幾乎完全衰減。

由圖8（b）可以看到電場增強集中在圓環柱形等離子體的表面。當等離子體中的碰撞頻率較高時，如圖8（c）所示，局域在表面附近的SPP電場因為碰撞效應逐漸“擴散”到等離子體中心區，等離子體表面場強分布逐漸模糊，電場增益顯著減小。當碰撞頻率非常高時（>10 GHz），入射信號幾乎完全衰減掉。在這種情況下，等離子體薄層對于頻率在1 GHz附近的電磁波幾乎是不透明的。

3 結 論

本文通過實驗研究了亞波長等離子體薄層對微波信號的接收增強，并利用數值仿真方法分析其機理，進一步深入研究了薄層等離子體結構對于微波信號接收增強的主要特性。得到結論如下：

1）實驗中首次發現了圓筒形等離子體薄層結構對于微波信號的接收增強效果，得到在GHz波段的最大接收功率比可達10 dB，絕對接收功率增強的頻率帶寬為330 MHz，相對接收功率增強的頻率帶寬為32.7%。這些結果展示了等離子體對微波電磁信號的接收增強技術完全可以應用到通信常用的L波段。

2）等離子體薄層在增強微波信號強度的同時，對于信號質量影響極小，保持了微波信號的原有相頻特性和群時延特性。

3）仿真模擬結果表明等離子體增強微波電磁輻射效應與局域表面等離子體極化激元（SPP）共振效應相類似。局域表面振蕩電場會引起等離子體薄層內部的電場增強，從而使得天線接收信號增強。

4）特定參數的等離子體中存在不同波數的駐波本征模，本征模的波數與入射電磁波的頻率密切相關;隨著等離子體厚度增加，激發出的本征模波數減少，增強電場主要集中在圓柱體的中心區域;電子與中性粒子之間的碰撞將消耗電磁波的能量，從而降低電場增益。

以上結果證實了薄層等離子體結構對于微波電磁信號的接收增強的可行性，把握了這一效應的參數依賴特性，有助于推動等離子體增強微波輻射技術在通信領域的實際應用。

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（編輯：劉素菊）