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电磁波在非均匀碰撞等离子体中的透射增强效应

聂勇 闫二艳 杨浩 黄诺慈 陈志国 郑强林 鲍向阳 胡海鹰

聂勇, 闫二艳, 杨浩, 等. 电磁波在非均匀碰撞等离子体中的透射增强效应[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200233
引用本文: 聂勇, 闫二艳, 杨浩, 等. 电磁波在非均匀碰撞等离子体中的透射增强效应[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200233
Nie Yong, Yan Eryan, Yao Hao, et al. Electromagnetic wave transmission enhancement effect in non-uniform collision plasma[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200233
Citation: Nie Yong, Yan Eryan, Yao Hao, et al. Electromagnetic wave transmission enhancement effect in non-uniform collision plasma[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200233

电磁波在非均匀碰撞等离子体中的透射增强效应

doi: 10.11884/HPLPB202133.200233
基金项目: 高功率微波技术重点实验室基金项目(JCKYS2018212036)
详细信息
    作者简介:

    聂 勇(1996—),男,硕士研究生,从事高功率微波与物质相互作用研究;nyong2020@163.com

    通讯作者:

    闫二艳(1978—),女,副研究员,主要从事HPM等离子体相关技术研究;yaneryan_2002@163.com

  • 中图分类号: O451

Electromagnetic wave transmission enhancement effect in non-uniform collision plasma

  • 摘要: 为研究碰撞等离子体对电磁波传输性质的影响,基于电磁波在介质中的传输特性,将等离子体作为一种特殊的介质,针对一定实验条件下的高功率微波(HPM)大气等离子体与一定范围电磁波的透射特性开展了实验、理论及仿真研究。研究发现:S波段HPM在50 Pa真空下形成的等离子体对不同频率的电磁波透射特性具有较大影响,且在一定频率范围内有规律的出现电磁波透射信号增强效应现象;获取了一系列不同频率连续电磁波穿过HPM等离子体区域的透射波形,并对波形进行了归一化处理,在32.4 GHz下,连续电磁波穿过有无等离子体区域的透射系数约有2倍的差异。建立了仿真模型,获得31.5~32.5 GHz范围内透射系数分布曲线图,穿过等离子体的电磁波出现透射增强效应,且在某些频点上出现了约1.9倍的透射增强。该研究成果的获取为HPM大气等离子体在隐身、应急通讯、黑障通讯等方面的应用提供了重要的技术支撑。
  • 图  1  实验装置简图

    Figure  1.  Sketch of the experimental device

    图  2  实验现场图

    Figure  2.  Diagram of experimental site

    图  3  实验测得32.4 GHz透射波形

    Figure  3.  Experimentally measured 32.4 GHz transmission waveform

    Blue curve:generating plasma HPM space signal;Purple curve:the signal received by the experimental receiving antenna

    图  4  31.5−32.5 GHz连续波透射信号归一化曲线

    Figure  4.  31.5−32.5 GHz continuous wave transmission signal normalized curve

    图  5  实验平台等效图

    Figure  5.  Equivalent diagram of experimental platform

    图  6  电磁波透射仿真模型示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of electromagnetic wave transmission simulation model

    图  7  有无等离子体的透射系数曲线对比

    Figure  7.  Comparison of transmission coefficient curves with and without plasma

    图  8  有无等离子体归一化透射系数

    Figure  8.  Normalized transmission coefficient with or without plasma

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-07
  • 修回日期:  2020-11-12
  • 网络出版日期:  2020-11-23

电磁波在非均匀碰撞等离子体中的透射增强效应

doi: 10.11884/HPLPB202133.200233
    基金项目:  高功率微波技术重点实验室基金项目(JCKYS2018212036)
    作者简介:

    聂 勇(1996—),男,硕士研究生,从事高功率微波与物质相互作用研究;nyong2020@163.com

    通讯作者: 闫二艳(1978—),女,副研究员,主要从事HPM等离子体相关技术研究;yaneryan_2002@163.com
  • 中图分类号: O451

摘要: 为研究碰撞等离子体对电磁波传输性质的影响,基于电磁波在介质中的传输特性,将等离子体作为一种特殊的介质,针对一定实验条件下的高功率微波(HPM)大气等离子体与一定范围电磁波的透射特性开展了实验、理论及仿真研究。研究发现:S波段HPM在50 Pa真空下形成的等离子体对不同频率的电磁波透射特性具有较大影响,且在一定频率范围内有规律的出现电磁波透射信号增强效应现象;获取了一系列不同频率连续电磁波穿过HPM等离子体区域的透射波形,并对波形进行了归一化处理,在32.4 GHz下,连续电磁波穿过有无等离子体区域的透射系数约有2倍的差异。建立了仿真模型,获得31.5~32.5 GHz范围内透射系数分布曲线图,穿过等离子体的电磁波出现透射增强效应,且在某些频点上出现了约1.9倍的透射增强。该研究成果的获取为HPM大气等离子体在隐身、应急通讯、黑障通讯等方面的应用提供了重要的技术支撑。

English Abstract

聂勇, 闫二艳, 杨浩, 等. 电磁波在非均匀碰撞等离子体中的透射增强效应[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200233
引用本文: 聂勇, 闫二艳, 杨浩, 等. 电磁波在非均匀碰撞等离子体中的透射增强效应[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200233
Nie Yong, Yan Eryan, Yao Hao, et al. Electromagnetic wave transmission enhancement effect in non-uniform collision plasma[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200233
Citation: Nie Yong, Yan Eryan, Yao Hao, et al. Electromagnetic wave transmission enhancement effect in non-uniform collision plasma[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200233
  • 电磁波作为长距离无线通信、测控的主要途径和信息载体,其在介质中的传输过程以及电磁辐射信号增强的物理机制和技术手段一直是现代信息科学技术的核心课题和重要前沿之一[1-4]。Vidmar[5]在1990年的论文中利用Epstein函数作为电子密度分布曲线,研究了电磁波在该密度分布下大气压等离子体的吸收特性,揭开了电磁波在等离子体中传输特性研究的序幕。Gregolre[6]等人研究了碰撞等离子体中电磁波的吸收和折射等问题,推导了非磁化等离子体中电磁波传输理论的基本公式。随着研究方法的更新,出现了解析方法、WKB近似方法、FDTD、SMM,研究者们[7-19]运用这些方法来对电磁波在等离子体中反射、吸收、透射,将理论和数值分析进行比较,进一步研究等离子体对电磁波传输的影响。

    Destler[20]等人实验研究了10 GHz电磁波在等离子体中的透射特性,发现电磁波透射等离子体后衰减达30 dB以上。Koretzky[21]等人利用一组相同等离子体炬组成的矩阵进行X波段的传输实验,发现随着等离子体厚度的增加,电磁波衰减增加、经过3个等离子体炬的X波段电磁波产生25 dB的衰减。马平[22]等人利用粉末激波管在马赫数9~10激波条件下获得厚度80 mm的碰撞等离子体,在该等离子体中进行传输特性实验,结果表明:X波段、Ka波段电磁波在等离子体中能量衰减大于30 dB,难以传输。郑灵[23]等人对35 GHz和96 GHz的电磁波在电磁波的传输特性进行了理论和实验研究,得出在等离子体中,随着电磁波频率的提高,衰减减小。

    研究电磁波在等离子体中的传输特性有助于解决航天器的“黑障通讯”问题,然而现有的研究只是等离子体对电磁波的衰减、吸收、透射,在等离子体对电磁波的透射增强方面还很少。本文在电磁波在等离子体中的传输的基础上,搭建实验平台,针对电磁波在非均匀碰撞等离子体中的透射增强展开实验研究。设计电磁波在非均匀碰撞等离子体中的透射模型,得到在某些频点上穿过等离子体的电磁波出现透射增强效应。

    • 单频电磁波在非磁化等离子体(各向同性不均匀)中传播时,电场满足波动方程

      $$ \Delta \stackrel{\rightharpoonup }{E}-\nabla (\nabla \cdot \stackrel{\rightharpoonup }{E})+{k}_{0}^{2}\varepsilon (\omega ,\stackrel{\rightharpoonup }{r})\stackrel{\rightharpoonup }{E}=0$$ (1)

      其中${k_0} = \omega /c$为真空中的波数。一维碰撞、非磁化低温等离子体介电常数为[8-9]

      $${\varepsilon _{\rm{p}}}({\textit{z}}) = \Bigg(1 - \frac{{\omega _{\rm{p}}^2({\textit{z}})}}{{\omega _0^2 + \nu _{\rm{c}}^2}}\Bigg) - {\rm{i}}\frac{{{\nu _{\rm{c}}}}}{{{\omega _0}}}\Bigg(\frac{{\omega _{\rm{p}}^2({\textit{z}})}}{{\omega _0^2 + \nu _{\rm{c}}^{\rm{2}}}}\Bigg)$$ (2)

      式中:${\omega _0}$是电磁波角频率(${\omega _0} = 2{\rm{{\text{π}} }}{f_0}$);${\nu _{\rm{c}}}$为电子动量转移碰撞频率;${\omega _{\rm{p}}}({\textit{z}}) = {\Bigg[\dfrac{{{n_{\rm{e}}}({\textit{z}}){e^2}}}{{{m_{\rm{e}}}{\varepsilon _0}}}\Bigg]^{1/2}}$是等离子体频率,${m_{\rm{e}}}$是电子质量,$e$是电子电量,${\varepsilon _0}$为自由空间介电常数,${n_{\rm{e}}}({\textit{z}})$局部在位置z处的等离子体电子数密度。

      ${\nu _{\rm{c}}} = 0$,式(2)变成著名的表达式${\varepsilon _{\rm{p}}} = (1 - \omega _{\rm{p}}^2/\omega _0^2)$,即为低温无碰撞等离子体介电常数,此时无碰撞等离子体中的截止密度${n_{\rm{c}}} = {\varepsilon _0}{m_{\rm{e}}}{\omega ^2}/{e^2}$。因此可将式(2)转化为

      $${\varepsilon _{\rm{p}}}({\textit{z}}) = 1 - \frac{{{n_{\rm{e}}}({\textit{z}})/{n_{\rm{c}}}}}{{1 + {Z^2}}} - {\rm{i}}\frac{{{n_{\rm{e}}}({\textit{z}})/{n_{\rm{c}}}}}{{1 + {Z^2}}}Z$$ (3)

      其中$Z = {\nu _{\rm{c}}}/\omega $

    • 假设一块由n层均匀、各向同性介质构成的一个一维多层结构[24-26],各层介电常数为${\varepsilon _i}$,磁导率为$\;{\mu _i}$。介质层两边各充满另一种均匀介质${\varepsilon _0}$${\mu _0}$${\varepsilon _{n + 1}}$${\mu _{n + 1}}$。设一圆频率$\omega $为平面电磁波从介质空间${\varepsilon _0}$$\;{\mu _0}$垂直入射到层状介质表面,部分反射,部分透入其内部,然后从介质空间${\varepsilon _{n + 1}}$${\mu _{n + 1}}$出射。设入射面为xz平面,x沿介质面,z垂直于介质面,介质层总厚度为L,并使层状介质处于0≤zL之间,层状介质内各层交界面的z坐标记为zii=0,1,2,…,nz0=0,znL),各层厚度为Δzizizi-1

      在界面zzn处,由边界条件可知

      $$ {\stackrel{\rightharpoonup }{{E}}}_{\rm{i}}^{(n)}+{\stackrel{\rightharpoonup }{{E}}}_{\rm{r}}^{(n)}={\stackrel{\rightharpoonup }{{E}}}_{\rm{t }}^{(n+\rm{1})}$$ (4)
      $$ {\stackrel{\rightharpoonup }{{H}}}_{\rm{i }}^{(n)}\rm{cos(}{\theta }_{n}\rm{)}-{\stackrel{\rightharpoonup }{{H}}}_{\rm{r}}^{(n)}\rm{cos(}{\theta }_{n}\rm{)}={\stackrel{\rightharpoonup }{{H}}}_{\rm{t}}^{\rm{(}n\rm{+1)}}\rm{cos(}{\theta }_{n\rm{+1}}\rm{)}$$ (5)

      式中:脚标i表示入射波;r表示反射波;t表示透射波;n+1代表zzn的空间;${\theta _n}$为电磁波对界面${{\textit{z}}_n}$的入射角;${\theta _{n{\rm{ + 1}}}}$为电磁波在界面${{\textit{z}}_n}$的折射角。由$ \stackrel{\rightharpoonup }{H}=\sqrt{\varepsilon /\mu }\stackrel{\rightharpoonup }{E}$可将式(5)改写为

      $$ {\stackrel{\rightharpoonup }{{E}}}_{\rm{i }}^{(n)}-{\stackrel{\rightharpoonup }{{E}}}_{\rm{r }}^{(n)}={I}_{n,n+1}{\stackrel{\rightharpoonup }{{E}}}_{\rm{t}}^{\rm{(}n\rm{+1)}}$$ (6)

      式(4)和式(6)可表达E垂直于入射面和E平行于入射面两种情况下场的振幅关系,其中的$I$应分别取${I^{{\rm{(1)}}}}$${I^{{\rm{(2)}}}}$$I_{i,j}^{(1)}{\rm{ = }}\dfrac{{\sqrt {{\varepsilon _j}{\mu _i}} {\rm{cos}}{\theta _j}}}{{\sqrt {{\varepsilon _i}{\mu _j}} {\rm{cos}}{\theta _i}}}$$I_{i,j}^{(2)}{\rm{ = }}\dfrac{{\sqrt {{\varepsilon _i}{\mu _i}} {\rm{cos}}{\theta _j}}}{{\sqrt {{\varepsilon _j}{\mu _j}} {\rm{cos}}{\theta _i}}}$

      联立式(4)、式(6)可以解得

      $$ {\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_{\rm{r }}^{(n)}={R}^{(n)}{\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_{\rm{i }}^{(n)}$$ (7)
      $$ {\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_{\rm{i }}^{(n+1)}={T}^{(n)}{\stackrel{\rightharpoonup }{E}}_{\rm{i}}^{\rm{(}n\rm{)}}$$ (8)
      $${{R}^{(n)}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} { - r_{n,n + 1}^{(2)}}&0&0 \\ 0&{r_{n,n + 1}^{(1)}}&0 \\ 0&0&{r_{n,n + 1}^{(2)}} \end{array}} \right){\rm{ }}$$ (9)
      $${{T}^{(n)}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {I_{n,n + 1}^{(2)}t_{n,n + 1}^{(2)}}&0&0 \\ 0&{t_{n,n + 1}^{(1)}}&0 \\ 0&0&{\dfrac{{{\varepsilon _n}}}{{{\varepsilon _{n + 1}}}}t_{n,n + 1}^{(2)}} \end{array}} \right){\rm{ }}$$ (10)

      式中:${r_{i,j}} = \dfrac{{{\rm{1}} - {I_{i,j}}}}{{{\rm{1}} + {I_{i,j}}}}$${t_{i,j}} = \dfrac{{\rm{2}}}{{{\rm{1}} + {I_{i,j}}}}$

      同理可得,在界面$z = {z_{n - m}}$m=1,2,…,n处的情况

      $$ {\stackrel{\rightharpoonup }{{E}}}_{\rm{r }}^{(n-m)}={{R}}^{(n-m)}{\stackrel{\rightharpoonup }{{E}}}_{\rm{i }}^{(n-m)}$$ (11)
      $$ {\stackrel{\rightharpoonup }{{E}}}_{\rm{t }}^{(n-m+1)}={{T}}^{(n-m)}{\stackrel{\rightharpoonup }{{E}}}_{\rm{i }}^{(n-m)}$$ (12)
      $${{R}^{(n{\rm{ - }}m)}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} { - B_{(n - m)}^{(2)}}&0&0 \\ 0&{B_{(n - m)}^{(1)}}&0 \\ 0&0&{B_{(n - m)}^{(2)}} \end{array}} \right){\rm{ }}$$ (13)
      $${{T}^{(n - m)}} = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {I_{n - m,n - m + 1}^{(2)}A_{(n - m)}^{(2)}}&0&0 \\ 0&{A_{(n - m)}^{(1)}}&0 \\ 0&0&{\dfrac{{{\varepsilon _{n - m}}}}{{{\varepsilon _{n - m + 1}}}}A_{(n - m)}^{(2)}} \end{array}} \right){\rm{ }}$$ (14)

      式中:${A_{n - m}} = \dfrac{{{t_{n - m,n - m + {\rm{1}}}}}}{{{\rm{1}} + {r_{n - m,n - m + {\rm{1}}}}R_\varsigma ^{(n - m + {\rm{1}})}{{\rm{e}}^{( - {\rm{j}}{\varphi _n}_{ - m + {\rm{1}}})}}}}$${B_{n - m}} = \dfrac{{{r_{n - m,n - m + {\rm{1}}}}{\rm{ + }}R_\varsigma ^{(n - m + 1)}{{\rm{e}}^{( - {\rm{j}}{\varphi _n}_{ - m + 1})}}}}{{{\rm{1}} + {r_{n - m,n - m + 1}}R_\varsigma ^{(n - m + 1)}{{\rm{e}}^{( - {\rm{j}}{\varphi _n}_{ - m + 1})}}}}$,其中$\varsigma $代表张量R的行列数,${\varphi _{n - m}} = 2k_z^{(n - m)} ({z_{n - m + 1}} - {z_{n - m}})$

    • 基于上述理论分析和仿真分析,对电磁波在非均匀等离子体中的透射增强进行实验验证。将透射系统发射和接收天线置于大气环境模拟室外,通过测量不同频率的连续波(CW)通过等离子体区域的透射信号,来评估连续波在电磁波等离子体中的透射特性。实验装置简化图如图1所示,图中MW级S波段电磁波通过天馈系统辐照入大气环境模拟室内,在环境模拟室内形成等离子体,该电磁波极化方向为垂直极化;在真空室水平观察窗方向,垂直于等离子体轴向的方向穿过CW小信号,且该电磁波方向为水平极化。

      图  1  实验装置简图

      Figure 1.  Sketch of the experimental device

      实验中采用的是MW级S波段电磁波与中真空大气互作用产生等离子体,其机理为HPM与空气中加速自由电子碰撞中性粒子出现电子雪崩,形成等离子体。实验现场图如图2所示,左边为CW发射天线,右边为CW接收天线,CW发射天线发射电磁波穿过室壁上的玻璃进入大气环境模拟室,穿过等离子体和室壁上的玻璃,被CW接收天线接收到电磁波,进行检波。实验平台参数为:脉宽τ=1 μs,重复频率fr=100 Hz,电磁波辐射场高压23 kV。此时真空腔室中的压强为50 Pa,采用连续波31~33 GHz信号。

      图  2  实验现场图

      Figure 2.  Diagram of experimental site

      实验测得连续波32.4 GHz透射信号如图3所示,将实验测得数据进行归一化处理,归一化处理准则:假设发射天线发射的信号功率为${P_i}$,无等离子体时接收到的信号功率为${P_1}$,有等离子体时接收到的信号为${P_2}$$T = \dfrac{{P2/{P_i}}}{{P1/{P_i}}}$。归一化后的数据曲线图如图4所示。

      图  3  实验测得32.4 GHz透射波形

      Figure 3.  Experimentally measured 32.4 GHz transmission waveform

      图  4  31.5−32.5 GHz连续波透射信号归一化曲线

      Figure 4.  31.5−32.5 GHz continuous wave transmission signal normalized curve

    • 从1930年Epstein[27]的文献中得到,若等离子体的电子数密度分布为

      $${n_{\rm{e}}} = {n_{\max }}{\left( {\frac{2}{{\exp \left[ {0.5\left( {x - {x_m}} \right)/\sigma } \right] + \exp \left[ { - 0.5\left( {x - {x_m}} \right)/\sigma } \right]}}} \right)^2}$$ (15)

      那么电磁波的反射、透射主要由高电子数密度区域的性质所决定。因此,在对高斯分布下电磁波的反射与透射分析时,可以用对称层来近似分析。结合式(3)、式(15)和实验室等离子体空间分布特性,等离子体空间分布满足${x_m} = 0$$\sigma = 0.031\;6$的高斯分布,并在实验中利用微波诊断方式诊断出该状态下等离子体密度为$5.0 \times {10^{17}}\;{{\rm{m}}^{ - 3}}$,可以计算出等离子体的介电常数。

      图1图2中实验平台根据理论1.2简化成层状介质,如图5所示。当$n = 3$时,即层状介质中分层数为3层(无等离子体)时,由式(14)可知整个介质的透射系数${T_{{\rm{tot}}}}{\rm{ = }}{t_{{\rm{34}}}}{T^{(2)}}{T^{(1)}}{T^{(0)}}$,通过数值计算得出在32.3 GHz处${T_1}{\rm{ = 0}}{\rm{.25}}$。同理,当$n = 5$(有等离子体)时,即层状介质中分层数为5层时,${T_{{\rm{tot}}}}{\rm{ = }}{t_{{\rm{56}}}}{T^{(4)}}{T^{(3)}}{T^{(2)}}{T^{(1)}}{T^{(0)}}$,通过数值计算得出在32.3 GHz处${T_2}{\rm{ = 0}}{\rm{.44}}$。有等离子体比无等离子体时透射系数增强1.76倍,即${T_2}/{T_1} = 1.76$

      图  5  实验平台等效图

      Figure 5.  Equivalent diagram of experimental platform

    • 基于上述的实验研究,建立电磁波在非均匀碰撞等离子体中的透射增强研究的仿真模型,将电磁波穿过的等离子体区域依据Epstein对称层分析结果简化为规则区域。采用HFSS仿真软件,建立的模型示意图如图6所示。图6(a)为无等离子体(空气)的电磁波透射仿真模型示意图,图6(b)为有等离子体的电磁波透射仿真模型示意图,计算两个模型在31.5~32.5 GHz频带范围内的透射系数。

      图  6  电磁波透射仿真模型示意图

      Figure 6.  Schematic diagram of electromagnetic wave transmission simulation model

      经过计算后得出仿真结果,其中有、无等离子体的仿真结果如图7所示。将透射系数在无等离子体的基础上进行归一化处理,归一化原则同本文实验研究部分归一化处理原则,归一化后曲线如图8所示。从图7可以看出,31.5~32.5 GHz的连续波穿过等离子体后出现增强和衰减,即${T_2} > {T_1}$时表示等离子体对透射信号起到增强作用,当${T_1} > {T_2}$时表示等离子体对透射信号起到衰减作用。从归一化后的曲线即图8中可以更加明显的看出, 31.5~32.5 GHz频段内的连续波在不同频点上穿过等离子体后出现透射增强(${T_2}/{T_1} > 1$)和衰减(${T_2}/{T_1} < 1$)。

      图  7  有无等离子体的透射系数曲线对比

      Figure 7.  Comparison of transmission coefficient curves with and without plasma

      图  8  有无等离子体归一化透射系数

      Figure 8.  Normalized transmission coefficient with or without plasma

    • 图34中可以看出:实验中测得31~33 GHz连续波透射信号穿过等离子体后在某些频点上会出现信号增强现象,并在32.4 GHz处最大,经过归一化处理后发现在32.4 GHz上有着大约有2.2倍的增强。从图78的仿真结果中可以看出:在31.5~32.5 GHz的频带范围内,不同的频率下的透射系数不同,电磁波穿过有无等离子体的透射系数不同;某些频点上的电磁波穿过等离子体后出现透射增强效应,且在32.4 GHz频点处出现了约1.9倍的透射增强;将实验做Epstein对称层模型简化进行理论分析,在32.3 GHz附近出现电磁波透射增强效应,且增强系数为1.76。上述分析表明:一定特性的等离子体对电磁波传输具有一定的增强效应,该效应在电磁波传输中具有一定潜在应用价值。

    • 从上述研究中表明:等离子体对电磁波的作用不仅是衰减、吸收,在某些频点上,还可以对电磁波的透射起增强作用。针对一定实验条件下的HPM大气等离子体与一定范围电磁波的透射特性开展了实验研究,实验研究结果表明:S波段HPM在50 Pa真空下形成的等离子体对电磁波透射特性具有较大影响,且在一定频率范围内出现电磁波透射信号增强效应现象;在32.4 GHz下,连续电磁波穿过有无等离子体区域的透射系数约有2.2倍的差异。建立了仿真模型,获得31.5~32.5 GHz范围内透射系数分布曲线图,穿过等离子体的电磁波出现透射增强效应,且在32.4 GHz上出现了约1.9倍的透射增强。实验和仿真结果都说明在某些频点上等离子体对电磁波的透射起着增强的作用,在32.4 GHz处约有2倍的差异,实验和模拟仿真的一致性较好。非均匀碰撞等离子体的理论分析模型和参数选取比较复杂,电磁波和非均匀碰撞等离子体的互作用机理还需要深入的研究。该研究结果为解决等离子体在航天器表面的“黑障通讯”提供了实验和数值理论基础,为等离子体的潜在应用提供了理论支撑。

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