等離子鞘套下的低頻傳播特性與正交電磁二維場(chǎng)抑制方法研究.pdf

1、高速飛行器在高空稀薄的大氣層內(nèi)高速飛行時(shí)，產(chǎn)生的等離子鞘套會(huì)對(duì)導(dǎo)航、遙控遙測(cè)、安控等電磁波信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的衰減，甚至產(chǎn)生通信中斷。本文針對(duì)這一問題，研究了低頻電磁波在等離子鞘套下的傳播特性，重點(diǎn)分析了由飛行器上發(fā)射出的電磁波經(jīng)過等離子鞘套的近場(chǎng)衰減機(jī)理、由地面發(fā)射出的電磁波在飛行器等離子鞘套環(huán)境下的遠(yuǎn)場(chǎng)衰減機(jī)理，提出了相應(yīng)的理論計(jì)算模型，計(jì)算了不同等離子體條件下的電磁波衰減特性，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)電子密度與碰撞頻率比值較高時(shí)電

2、磁波衰減較大的情況，研究利用正交電磁二維場(chǎng)降低電子密度方法的機(jī)理，建立了理論仿真模型，通過數(shù)值模擬給出了在不同條件下的電子密度削弱效果。本文研究將為在等離子鞘套下實(shí)現(xiàn)通信提供理論基礎(chǔ)和方法支撐，為利用正交電磁二維場(chǎng)降低電子密度、改善通信環(huán)境提供理論方法和應(yīng)用評(píng)估。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1、研究了低頻電磁波在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)與等離子鞘套的作用機(jī)理，提出了基于電磁屏蔽理論的近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)低頻電磁波穿透均勻等離子體的衰減計(jì)算模型以及基于平面波譜

3、展開法的近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)低頻電磁波穿透非均勻等離子體的衰減計(jì)算模型，基于以上模型研究了在不同電子密度、碰撞頻率、電磁波頻率及不同電子密度分布下的電磁波衰減特性規(guī)律，進(jìn)行了仿真計(jì)算，給出了近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)電磁波衰減與等離子體參數(shù)之間的關(guān)系。
　　2、利用低頻電源激勵(lì)的低氣壓輝光放電等離子體開展了近場(chǎng)區(qū)域下低頻電磁波穿透均勻等離子體的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合，驗(yàn)證了近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)低頻電磁波衰減計(jì)算模型的有效性。為加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，研究了低

4、頻輝光放電干擾靜電探針的相關(guān)機(jī)理，并對(duì)探針系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)與測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的靜電探針與微波法測(cè)量得出的電子密度相比誤差降低至了30％以下。
　　3、當(dāng)飛行器接收地面發(fā)射的低頻電磁信號(hào)時(shí)，由于等離子鞘套尺寸遠(yuǎn)小于低頻電磁波的波長(zhǎng)，因此本文將等離子鞘套簡(jiǎn)化為均勻分布的等離子體球殼，提出了電小尺寸等離子體球殼覆蓋下低頻電磁波電、磁場(chǎng)分量衰減計(jì)算的等效電路模型，研究了等離子體覆蓋下低頻電磁波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分量衰減機(jī)理，利用等效電路

5、模型計(jì)算了不同等離子體條件及電磁波頻率下的電場(chǎng)、磁場(chǎng)衰減特性。設(shè)計(jì)了等效介質(zhì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)等效電路模型進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了低頻電磁波的衰減實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了低頻電磁波磁場(chǎng)分量衰減小于電場(chǎng)分量衰減理論預(yù)期的正確性。
　　4、針對(duì)在電子密度和碰撞頻率比值較大時(shí)電磁波衰減嚴(yán)重的問題，本文研究了利用正交電磁二維場(chǎng)降低電子密度方法的機(jī)理，建立了電磁流體模型，采用有限體積法研究了不同電極結(jié)構(gòu)及不同參數(shù)條件（電子密度、氣壓、電壓、磁場(chǎng)強(qiáng)度、流場(chǎng)速

6、度等）下的電子密度削弱效果。仿真結(jié)果表明，U型電極的電子密度削弱效果優(yōu)于平板型電極。在電子密度和氣壓較低的條件下，電子密度削弱的最佳效果可使電子密度降低到20％以下，長(zhǎng)度達(dá)2cm。對(duì)不同氣壓下的仿真表明，在氣壓升高時(shí)，電子密度的削弱效果非常有限。
　　5、針對(duì)典型飛行器再入過程中產(chǎn)生的等離子鞘套，研究評(píng)估了在不同高度下的低頻傳播特性以及正交電磁二維場(chǎng)的電子密度削弱效果，分析結(jié)果表明，通過正交電磁二維場(chǎng)與低頻電磁波相結(jié)合的方式，頻率