大面积等离子体片微波反射特性研究

程芝峰 徐跃民 梁 超 丁 亮 鉴福升 朱 翔

(1.中国科学院空间科学与应用研究中心,北京 100190;2.中国科学院研究生院,北京 100049)

1.引 言

远距离短波通讯中利用电离层对电磁波的反射是人们所熟知的,电离层中对电磁波起反射作用的是其中的等离子体,因而利用等离子体代替金属板制成反射面天线成为近年来天线技术研究的一个新方向[1-2]。

美国海军研究实验室(NRL)的ROBSON A E等人于20世纪90年代初开展了“捷变镜”雷达的研究。其思路是采用磁约束线形空心阴极放电的方式生成大面积高密度的等离子体片,能反射10 GHz左右的微波。控制不同方向的等离子体片放电可以实现微波波束的方位扫描[2-3],这个过程是由电子开关的通与断来实现,不存在机械转动,所以波束扫描的速度非常快。因此,这种等离子体反射面常被称为“捷变镜(Agile mirror)”。

目前关于等离子体对微波反射特性的研究主要集中在等离子体隐身技术方向,由于关注点的不同,所研究的等离子体位形及参数与反射面天线中的大面积等离子体片有很大不同[4-5]。我们在实验室中搭建了类似于NRL的实验装置,生成了60 cm×60 cm×2 cm的等离子体片,对其反射特性进行了初步的实验研究。此外,还结合实验参数条件,采用FDTD方法,利用非磁化均匀等离子体模型对其中的电磁传播过程进行了仿真分析。

2.理论介绍

2.1 电磁波在等离子体中的传播

对于低温等离子体,其电子密度 Ne和碰撞频率ν是两个非常重要的参数[6-7]。在非磁化等离子体中,等离子体的电导率为

式中：me是电子质量;e为电子电荷量;ω为电磁波的角频率是真空介电常数;是等离子体电子振荡频率。

由此可得等离子体相对介电常数

在一般低温低气压等离子体放电工作状态下,电子的碰撞频率约为108s-1,所以在分析1 GHz以上的微波时,可以把它忽略,于是有对此,通常分以下情况考虑：

a)ω＞ωpe：n为一小于1的正实数,电磁波可在等离子体中传播,并且其相速度大于光速;

因此,定义 fc为电磁波的截止频率,它满足

2.2 垂直入射时电磁波的反射率

如果等离子体有明确的边界,电磁波由真空射入到等离子体及由等离子体射入到真空时都会在交界面上发生反射,其反射率可以利用传输线的模型来描述[7],电磁波由介质1到介质2的反射率为

2.3 入射角对反射的影响

电磁波在等离子体表面的反射情况类似于光学中的全反射现象。当电磁波斜入射到等离子体时,等离子体相对折射率要求会有所降低,即等离子体密度要求会相应降低[3],此时等离子体密度Ne与入射角θ及电磁波的频率ω满足如下关系

3.实验与仿真介绍

3.1 等离子体片的产生

等离子体产生装置如图1所示,线形空心阴极在高压条件下会发射出高密度电子束,电子束在亥姆霍兹线圈所生成的均匀磁场约束下向阳极运动同时碰撞电离周围的气体形成等离子体片。

实验所采用的空心阴极长60 cm,空心槽的宽度为1.6 cm,与阳极距离也是60 cm,能生成尺寸约为60 cm×60 cm×2 cm的大面积等离子体片。

3.2 实验方案

本实验设计如图2所示,发射天线为一面径30 cm的标准抛物面天线,其中心频率为5.8 GHz,垂直线性极化,半功率角约为12度。

图2 测试方法示意图

发射天线的工作频率定在5.8 GHz,置于距等离子体片轴心65 cm处,等离子体片相对垂直入射时偏转了30度,接收天线1正对抛物面,接收天线2位于以抛物面为参考的反射方向。接收天线1和2都是标准喇叭天线,置于以等离子体片中心线为轴心的圆上,距离满足远场条件。在一定角度内转动发射天线,可以测出天线经过等离子体片以后透射方向及反射方向的方向图。

3.3 FDTD仿真

FDTD仿真的物理模型与实验条件基本一致。等离子体片的厚度取为2 cm,电子碰撞频率为1×108Hz,采用均匀非磁化模型。考虑到是5.8 GHz的微波,空间网格设为5 mm,局部边界部位的网格按需设为1 mm。仿真时分别选用3×1011cm-3、7×1011cm-3的等离子体片及同面积1 cm厚的铝板,计算了在反射面相对垂直入射偏转0度、10度、20度、30度及40度时的水平方向图。

4.实验与仿真结果

4.1 等离子体片偏转30度角时方向图

将实验所测的反射、透射方向图与仿真所得的结果进行对比,如图3。图中实测曲线是在放电电压为2.5 kV时测得,仿真所得的反射与透射方向图形状及分布与实测的结果吻合,其中等离子体密度取2×1011cm-3时仿真所得的反射峰与透射峰幅值与实测结果基本一致。

4.2 等离子体密度对反射率的影响

图4为等离子体片相对微波垂直入射位置偏转30度所得的微波反射率随等离子体密度变化曲线。受实验条件限制,目前暂时无法直接测出等离子体的密度。图中实测曲线是参照等离子体放电相关理论近似认为等离子体密度正比于输入功率所得。将仿真结果与之对比,两者的变化趋势一致,因此可初步认可仿真结果的准确性。

4.3 等离子体与金属反射时的方向图对比

图5～图9为不同角度等离子体与金属仿真所得的方向图。图5是反射面与抛物面天线正对时所得方向图,由于反射方向上抛物面的作用,增益及形状都受到影响。由图6可看出,10度角方向也有一定的影响。观察20度以上的方向图可知,进行角度扫描时,天线的增益基本保持不变。

等离子体密度取7×1011cm-3时,其反射峰与金属的反射峰几乎完全重合。而3×1011cm-3等离子体的反射峰与金属的差距随角度的增大而减小,由此也印证了公式(5)所表达的角度关系。

5.结 论

通过实验及仿真的手段初步研究了大面积等离子体片对微波的反射特性。实验测试了大面积等离子体片的反射方向图,等离子体密度对反射率的影响等。仿真得出了不同密度不同角度情况等离子体片的微波反射特性,并将结果与实验进行了对比分析。

本文初步验证了FDTD仿真方法用于反射面分析时的准确性。仿真所得不同角度下的方向图为等离子体反射面天线的设计提供了一定的参考。

目前由于实验条件的限制,我们暂时还无法进行精确全面的实验测试。将会在今后的工作中把实验装置及测试条件改进,对等离子体与微波相互作用的特性进行更为深入的研究。

[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]徐利军,莫锦军,袁乃昌.磁化等离子体覆盖二维导体目标FDTD分析[J].电波科学学报,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]项志遴,俞昌旋.高温等离子体诊断技术(下册)[M].上海：上海科学技术出版社,1982.