非均匀磁化等离子体层的电磁特性分析

基于分层传播原理提出了一种计算电磁波在非均匀磁化等离子体层中反射率和吸收率的模型,并数值分析了等离子体密度与碰撞频率,以及背景磁场强度对电磁波的反射和吸收特性的影响.研究表明:该法所得结果与文献的传播矩阵(SMM)法一致.数值分析发现:低密度高碰撞频率等离子体可减少等离子体层对入射波的功率反射;高密度高碰撞频率等离子体可改善其对入射波的功率反射宽频带吸收特性;背景磁场强度可明显改变等离子共振吸收频段.     

再入等离子体流动及其电磁波传输效应研究

基于求解N-S方程的数值方法和求解波动方程的WKB方法,建立了高超声速再入等离子体流场及其对电磁波传输影响的计算分析手段。通过比较分析飞行条件下再入体周围等离子体分布及其对通信的影响,初步验证了计算分析方法的可行性。在对再入等离子体流场数值模拟的基础上,计算了不同频率电磁波在等离子体介质中的传输特性,分析了再入体壁面催化条件及等离子体碰撞频率等因素对不同频率电磁波传输特性的影响。研究表明:再入高度越高,壁面催化对等离子体分布及其电磁波传输的影响越大;当电磁波频率低于特征碰撞频率时,碰撞频率可对电磁波传输特性产生显著影响。     

等离子体鞘套对飞行器再入过程信号传播特性的影响分析

再入飞行器表面所形成的等离子体鞘套会对通信信号的传播产生影响,甚至形成通信黑障。文章从电磁波在等离子体中的传播理论出发,分析建立鞘套对电磁波吸收和反射的数学模型;并以数学模型为基础,编制面向对象的计算软件,考察影响通信信号传播特性的各种因素。结果表明,等离子体鞘套内的电子密度及其分布对通信信号的传播特性有重要影响,减小等离子体密度可显著降低信号的衰减。     

电磁波在非均匀有损耗再入等离子鞘层中的传播

本文从分层模型出发,采用不变量镶嵌原理,给出了分析再入等离子鞘层中电磁波传播特性的理论方法,计算了电磁波的功率透射和功率反射系数。理论结果与飞行实测数据相符。本方法的优点是:物理概念清晰直观,公式简明,通用性强,计算程序适用于鞘层具有任意厚度、电子密度和电子碰撞频率具有任意分布形式以及任意多分层的情形。     

等离子鞘套热力学波动对电磁波传播的影响

针对等离子鞘套热力学波动造成电磁波传播特性变化的问题，结合湍流理论、等离子理论和电磁波传播理论，得到了热力学参数波动与介电常数间的关系。计算了不同状态下热力学参数波动引起S和Ka波段电磁波透射和反射系数的变化。结果表明，当电子密度增大，S波段反射系数变化减小、透射系数变化增大；当Ka波段在碰撞频率10MHz时，反射系数变化增大、透射系数变化减小，在碰撞频率1GHz和50GHz时透射系数变化反射系数变化先增后减。不同高度下波动的影响也不同，S波段透射和反射系数变化随高度升高先减后增；Ka波段透射系数变化先减后增、反射系数变化先减后增而后再次减小。因此，应根据实际环境状态获得波动的包络范围，进而针对性开展测控通信系统设计。     

任意角入射到非均匀等离子体的WKB法

用WKB法研究了以任意角入射的电磁波在非均匀非磁化等离子体中的衰减特性,给出了电磁波在非均匀非磁化等离子体中的双程衰减公式。选用抛物线型等离子体密度分布进行计算,基于等离子体共振吸收概念分析了双程衰减与入射电磁波频率、等离子体碰撞频率、等离子体最大密度和电磁波入射角等的关系。对等离子体隐身研究有一定的参考价值。     

碰撞等离子体的宽频带电磁波吸收特性

针对具有金属反射面的非均匀等离子体对电磁波的反射、吸收问题,采用求解波动方程的方法构造相应的边界条件,详细研究各种参数等离子体对电磁波的吸收特性,讨论对等离子体参数及波动方程进行归一化的方法,得到归一化条件下的等离子体宽频带吸收特性。计算分析表明,对于电子密度为某种渐进分布的有碰撞的低温等离子体,当碰撞频率与最大电子密度处的等离子体频率相近或略大,且等离子体层的厚度足够大时,在一个较宽的频带内,等离子体对电磁波有较强的吸收作用。研究结论可以用于等离子体参数的选择,及等离子体隐身的参数设计。     

非均匀热等离子体中磁流源辐射

本文从热等离子体模型出发。研究了在计及外加恒定磁场情况下,位于电子密度具有梯度分布的等离子体鞘套中磁流源天线的辐射特性,计算了磁流源天线激发出电磁波及等离子体波的辐射能流密度,同时讨论了鞘套中等离子体波的贡献。     

二次电子发射对稳态等离子体推进器加速通道鞘层的影响

稳态等离子体推进器(Stationary Plasma Thruster,SPT)工作时产生的高密度等离子体遇到其加速通道陶瓷器壁时,在陶瓷器壁与等离子体之间形成鞘层。离子会在鞘层电场作用下到达SPT加速通道器壁表面进而复合,而等离子体中的电子由于具有高能可跃过鞘层电场轰击器壁表面,从而产生二次电子发射效应。从器壁表面发射出的二次电子由于受到鞘层电场的排斥,导致其向等离子体源区移动,进而影响等离子体鞘层的特性。建立了考虑二次电子发射效应的无碰撞等离子体鞘层的一维流体模型,研究了二次电子发射对SPT加速通道鞘层特性的影响。计算结果显示,随二次电子发射系数增加,鞘层电势、离子密度、电子密度和二次电子密度增加,而离子速度降低,鞘层中离子密度始终大于电子密度。鞘层中二次电子绝大多数集中在器壁附近,随二次电子穿越鞘层厚度的增加,二次电子密度快速下降。     

电磁信号在时变等离子体中传播的调制效应

近期有研究文献表明,高速飞行器等离子鞘套由于姿态调整、湍流、非均匀烧蚀等因素的影响,其等离子体参数可能存在时变特性。针对电磁波在时变等离子体中的传播问题,在经典色散介质传播理论中引入了时变参数项,得出了调制效应与等离子体参数、载波频率的关系;在此基础上对载波频率为35GHz和12GHz时QPSK信号在时变等离子体中的传播进行仿真,结果表明：时变等离子引起的调制效应会使调相信号的星座图发生旋转;提高载波频率有助于减弱调制效应,减少星座点的交叠,误码率降低。     

Q/V频段电磁波在等离子体鞘套下的传输特性

高超声速飞行器再入地面时，由于飞行器表面等离子体电子密度分布不均匀，因此从背风面向天基中继卫星传输，可避开迎风面的高电子密度，并以Q/V频段为测控频段，经中继卫星转发至地面测控站。本文以波阻抗方法为基础，分析了Q/V频段在不同等离子体参数下的传输特性，并仿真了等离子体对Q/V频段天线波束指向的影响。结果表明：Q/V频段在等离子体中穿透性更好，可在更高的等离子体电子密度和碰撞频率下保持较低的衰减值。但Q/V频段下的天线波束指向偏差较大，随着频段的提高和入射角度的减小，偏差值逐渐减小。因此，应用Q/V频段，通过中继卫星转发实现实时通信，有利于缓解再入飞行器“黑障”现象。     

时变等离子鞘套相位抖动对GPS导航的影响

飞行器再入过程中产生的时变等离子鞘套会引起信号的时变衰减和相位抖动,其产生的相位抖动对调相体制的GPS导航系统必然产生影响。探讨了时变等离子鞘套引起信号相位抖动的机理,通过传输矩阵法计算了由时变等离子鞘套引起GPS导航信号的相位抖动的统计特性,结合Hilbert方法建立了受到相位抖动影响的GPS信号模型,研究了黑障发生前等离子鞘套的相位抖动对GPS导航的影响。仿真结果表明GPS导航受到影响的程度和相位抖动方差大小密切相关。在NASA数据下相位抖动方差为0.1142时,定位变化大于10m的最大比例超出了1.5%,大于5m的最大比例超出了14%。     

基于椭圆孔阵列的频率选择表面研究

针对准光学馈电网络系统对频道分离性能的要求,研究了一种工作于毫米波、亚毫米波的无介质支持的双层金属椭圆孔阵列频率选择表面。其在反射通道中反射54GHz和89GHz 2个信号的电磁波。在透射通道中,对165GHz和183GHz 2个通道的信号是透明的。使用模式匹配法仿真分析并设计频率选择表面,结果表明:当入射角度为18°时,2个反射通道中双极化的插入损耗小于0.1dB,2个透射通道的双极化插入损耗不大于0.6dB,各项指标能满足频率选择表面在通道引入的插入损耗不大于0.8dB的要求。此外,通过蒙特卡罗法分析加工误差对频率选择表面性能的影响,根据指标要求给出加工精度的下限,为实际加工提供数据支持。     

太赫兹成像系统的研究

文章介绍了工作在375GHz的太赫兹成像系统,成像系统由3个透镜、返波管源、倍频器、戈莱盒、金属线栅和示波器等部分构成。并用硬币做了太赫兹反射成像实验以验证成像系统效果。太赫兹信号照射到硬币上,逐点扫描硬币,检测经反射的太赫兹信号,提取出其信号幅度。实验结果表明成像效果良好,并采用非线性频谱外推算法对原始图像进行处理,提高了图像可视性。     

等离子体电磁信号多维度特征测量系统研究

为进一步研究等离子体鞘套特性及其对电磁波传输的影响,研制等离子体电磁信号多维度特征测量系统。系统可在地面实验环境中对高速目标等离子体下通信信号进行多维度特征测量,分析信号传输衰减、相位畸变等特性。系统完成Ka测控通信频段等离子体透射测量实验,验证多维度特征测量系统宽带测量、大动态微弱信号的检测能力。对采集的数据进行分析,初步验证等离子体对通信信号的衰减和相位特性的影响。     

临近空间高速飞行器综合信道模型研究

针对临近空间飞行器在高速飞行时所经历的高动态多普勒和等离子鞘套等恶劣通信环境以及其通信中断问题,提出了临近空间高速飞行器的综合信道模型方案,在对综合信道内电波传输信道特性分析的基础上将其建模为频率选择性快衰落信道;同时建立了等离子鞘套信道的数学模型,利用传输矩阵法和FDTD算法计算了表征大尺度衰落的电波传输透射系数,并根据散射信道建模方法给出了小尺度衰落的仿真模型并对其参数的获取进行了分析.仿真计算和定性分析表明了该综合信道模型方案的可行性.