均匀非磁化等离子体对入射平面电磁波的吸收
电磁波在非均匀磁化的等离子体鞘套中传输特性研究
电磁波在非均匀磁化的等离子体鞘套中传输特性研究∗薄勇;赵青;罗先刚;刘颖;陈禹旭;刘建卫【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2016(0)3【摘要】We use simulation software to simulate the plasma sheath flow field of RAM-II at four different altitudes, and get the distribution information of electron density, temperature, and Mach number of plasma sheath at four typical flight altitudes. On this basis, the paper analyzes the cause of the distribution at each altitude. Secondly, Z transform FDTD formula is used to solve the electromagnetic problem in the dispersed medium. According to RAM-II aircraft plasma sheath data, we calculate the power transmission coefficient and power reflectance coefficient of L, S-band electromagnetic waves by Z transform FDTD method at each altitude. Because of the strength of magnetic field used in actual aircraft cannot be uniform, in this calculation the plasma sheath and the magnetic induction are both non-uniform. The transmission characteristics are also different between left-hand circularly polarized waves and right-hand circularly polarized wave in the magnetized plasma. Finally, the paper gives some theoretical design advise about communication antenna for supersonic speed aircraft.%采用流场模拟软件模拟了十一组分RAM-II飞行器表面等离子体鞘套的分布，提取了四个典型飞行高度、飞行状态下的等离子体鞘套的分布信息。
平面电磁波在无磁场等离子体中传播特性研究
间通讯等技术 中，研究等离子体的性质均具有非常
重要的意 义 。
ｌ无磁场情况下等离子体的电磁性质
对稀 薄 电离气 体 。可 忽略 带 电高予 问的相 互碰 撞 影响 。只考虑 电磁 作用 ，也忽 略热 运动 因素 。 当电磁 波 进 入等离 子体后 ，假 定离 予运动可 忽
略。这里 仅 考虑 电子 的受力运 动 。这样 等离子 体 中 传导 电流 密 度 － ＾ ，Ｎ为 电 子浓 度 ，假 定 电
了分 析 。
关键词 ：等 离子体；电磁性质；相速 群速；传播特性 中围分 类号 ：Ｏ ４ ４１ ６ 文献标识码：Ｂ
文章编号：１７ ・３ ２０ ）２０ ０ ・２ ３ １１５ （０ ２０・０ ５０ Ｉ
等离 子体 就是 电离 予的气体 。它 是 由离子和 电
子组 成 ，其 中离子和 电子所带 的正 、负 电荷数 是近
平面 电磁波在无磁 场等离子体 中传播特性研究
雒 向 东 ， 何 延 春
（ 兰州师范高等专科学校 物理系． １肃 兰州 ７０ ７ ） ］ ３ ０ ０
摘
要 ：推证 了无磁场时电子等 离子体的等效介 电系敷 根据 本构 关系认 为无磁场 电子等 离子体属各 向同性
介质。从 色散 关系得 出等 离子体 中传播 电磁波的相速 ．群速 并以此为依据 对等 离子体 中传播 的 电磁波性质进行
＝ 了
，
： ＝． ｍ ＝ｅ ｉ ｍｖ Ｅ
； ＝
， 罚
ｌ ＿
２
电子集体运动电流密度为： ， — ：
肌
＾，
１ ），从原点到 ｍ处 。
，ｖ
等 离 子 体 相应 电导 率 为 Ｔ ｉ ｍ ｍ
为 纯虚
电磁波与非磁化等离子体的相互作用_孙爱萍
中图分类号:TL61+ 2. 4
文献标识码: A
1 引言
研究电磁波在等离子体中的传播是一个古老而 又活跃的课题[ 1, 2] , 但主要集中于低频波的研究。九 十年代美国的 Vidmar[3] 开始研究高频波与等离子体 的相互作用, 并使用等离子体隐形这个概念。其实, 最早研究等离子体隐形技术的是前苏联的专家, 始 于二十世纪六十年代, 当时主要有三个方面的原因 促使他们对这一领域进行研究: 一是导弹和飞船再 入大气层时出现通信中断; 二是现代战争中电子对 抗的应用; 三是核爆炸的深入研究。这三方面的因 素都涉及到等离子体与电磁波的相互作用及影响。
的微波通信系统等。等离子体隐形技术的基体原理 是电磁波与等离子体的相互作用, 即利用等离子体
对电磁波的反射、折射、吸收、变频等, 将电磁波能量 衰减、改变电磁波的传播相角, 乃至使电磁波产生绕 射, 从而达到隐形效果。本文主要从等离子体对电 磁波功率的吸收作用方面着手研究。所取电磁波的 频段为现役雷达波的频段范围( 0. 5~ 10GHz) , 等离 子体中的电子与中性气体的碰撞频率为 011GHz 到 10GHz( 相对应于地面几十米高空的中 性气体的密 度) 。并比较电磁波在均匀与非均匀等离子体中传 播特性的差异。
功率为:
P r = P 0 | #T ( X) | 2
( 17)
总的透射功率为:
F P t = P 0 [ exp(- 2Ail d / sin Hi ) ]
( 18)
i
这里 l d 为等离子体每层的厚度。
总的吸收功率为:
P a = P 0- P r- Pt
( 19)
3. 2 计算结果 利用上述公式, 我们计算了在非均匀非磁化等
电磁波在等离子体中的吸收衰减共3篇
电磁波在等离子体中的吸收衰减共3篇电磁波在等离子体中的吸收衰减1电磁波在等离子体中的吸收衰减电磁波是指由电场和磁场相互作用所传播的波动。
它不需要任何物质介质就能够传播，是一种在真空中传播的波。
等离子体是一种特殊的物质状态，它是由电离气体中的离子、自由电子和中性分子组成的。
因此，等离子体具有特殊的电学、光学和热学性质，是一种重要的物理现象。
当电磁波进入等离子体时，会受到等离子体中的离子和自由电子的干扰和吸收。
这种吸收现象叫做等离子体中的电磁波吸收衰减。
等离子体中的电磁波吸收衰减是由于电磁波在等离子体中的传播需要克服等离子体中的离子和自由电子的相互作用力，如库仑相互作用力、碰撞力等。
这些作用力会使电磁波的能量转化为热能和光能，导致电磁波的信号强度逐渐减弱。
等离子体中的电磁波吸收衰减与等离子体的密度、温度、电场强度和磁场强度等因素有关。
一般来说，等离子体的密度越高，电磁波的吸收衰减就越强。
当等离子体中的温度升高时，等离子体中的离子和自由电子的运动速度变快，导致碰撞频率增加，电磁波吸收衰减也会相应增加。
当等离子体中存在电场或磁场时，电磁波的传播路径会受到这些场的影响，从而导致电磁波的传播速度和方向发生改变。
根据等离子体的物理性质和电磁波的特性，可以利用等离子体对电磁波的吸收和反射特性，制造电磁波的滤波器、天线等电子元件，广泛应用于通信、雷达等领域。
在现实生活中，我们经常会遇到电磁波的吸收衰减问题，如电视信号的影响、手机信号的弱化等。
这些问题实质上都是由于电磁波在传输过程中受到吸收衰减的影响造成的。
因此，我们需要采取相应的措施来减少电磁波的吸收衰减现象，如增强信号的功率、加大天线的接收范围等。
总之，电磁波在等离子体中的吸收衰减是一种普遍存在的现象，对我们生产生活都有着重要的意义。
只有深入研究电磁波在等离子体中的传输规律和特性，才能更好地利用等离子体的特殊性质，促进科技的发展和进步综上所述，电磁波在等离子体中的吸收衰减是受多种因素影响的。
等离子体阵面吸收与反射电磁波的实验探索
等 离 子体 阵 面 吸收 与反 射 电磁 波 的 实验探 索
赵建森 张芝涛 ， ， 徐晓 文 王加伟 俞 ， ， 哲
（ 大连海事大学 １ 轮机工程学院 ； ． 电场放电辽宁省重点实验室 ， ． ２强 辽宁 大连 １６ ２ ） １０ ６
摘要 ： 利用等离子体平面阵 ， 依此研究 ５ ｚ ３Ｇ ｚ ０ＭＨ ～ Ｈ 电磁波入 射等离子体阵面所造成 的衰减和反射． 究发现辉 研 光等 离子体 阵面对入射 电磁波具有强 吸收弱反射特性 ． 在实 验频率 范围 内， 等离子 体阵面对 电磁波都有 一定 的吸 收作用 ， 吸收值在 ９ ９— ５６ｄ ． ２ ． Ｂ之间 ， 但在 不同频段也存在着 明显 的吸收峰值． 同时 ， 虽然等离子体 阵面对入射电
磁波确有反射 ， 但反射强度非常低 ， ０ ３５ｄ 之 间． 在 ～ ． Ｂ 本实验对构建等离子体隐身屏障有借 鉴意义．
关键词 ： 等离子体 ； 电磁波 ； 相互作用 ； 辉光放电 ； 等离子体阵面
中图分类号 ： ５９ ０ ３ 文献标 志码 ：Ａ 文章编号 ： ０ ７７ ６ （０ １ Ｏ —０ ４０ １０ －１２ ２ １ ） １０９ —４
垂直 方 向的 上 下倾 角 相 同 ， 为 ２ 。 实 验 时 ， 先 均 ４． 首 在等 离子 体 阵 面 紧密 贴 敷 一 层 铜 箔 作 为 参 照 反 射 器， 同时分 别测 量 附 加 铜 箔前 后 频 谱 分 析 仪 收 到 的
２ ２ 等 离子体 阵面 对 电磁 波的反 射 实验 ．
等离子体阵面对 电磁波反射实验装置 中， 发射 天线和接收电线安装在等离子体阵面同一侧 的同一
５ ０ ｌ０ ０ ００ ０ ０ ３００ ０ ０ ｌ５ ２ ０ ０２ ５ ０ ０
等离子体中平面电磁波吸收衰减的数值模拟
２１ ０ １年 ３月
文章编号 ：０ ７２ ５ （０ Ｉ ０ ４０ ０ ） １０ －８３ ２ １ ）３ ）９ ４３
等 离 子体 中平 面 电磁 波 吸收 衰减 的数 值 模 拟
孙 呖 鲁 刚 ， ， 陆建 萍
（． １ 沈阳工业 大学 基础部 ， 辽宁 辽 阳 １ １０ ；． １０ ３２ 北京理工大学 机械与车辆 工程学院 ， 北京 １０ ８ ） ００ １
摘要 ： 推导了电磁 波在 等离子体中吸收衰减的理论 公式 ， 建立 了非 均匀等离 子体 分层离散 的物理模型 ，
利用数值模 拟的方法研究 了平面电磁波斜入射覆有磁化非均匀等离子体层的金属衬底 时的吸收衰减特
性， 讨论 了等离子体层密度 为线性分布且磁场强度一定 时 ， 电子碰撞 频率对 电磁波吸 收衰减 的影 响 ， 得 出在一定等 离子 体密度和磁场强度条件下 ， 等离子体对平面 电磁波的吸收衰减特性． 关 键 词： 平面 电磁波 ； 磁化非均匀 ； 等离子体 ； 吸收衰减
的等离 子体 密度． 因此 ， 等离子 体频 率与位 置 的关
系 为
厂— —■—Ｆ
（ ＝／ ｚ ） Ｂ
ｏｎ ｅ
．
（ １ ）
Байду номын сангаас
另外 ， 由于磁场对电子的作用将产生电子 回旋
频率 ， 因此等离子 体 的复相 对介 电常数 与位 置 、 电 子 回旋频 率 、 碰撞频率 、 电磁 波频率的关 系为
如 图 １所示 ， 均 匀 等 离 子体 可 离 散 为 若 干 不
平行 薄层 构成 ， 层 间的 等离 子体 密度 不 同 ， 每 薄 但 层 内等离 子体 是均 匀分 布 的 ， 即介 电常 数为 常量 ． 电磁 波从 空气 中以入射 角 斜 入射 ， 在每 一 个 分 层 的边 界都 要 发生 部 分 反 射 和 部 分 透 射 ， 时 在 同 传 播过 程 中 电磁 波 要 被 碰 撞 衰 减 ， 电磁 波 到达 金 属 衬底 处 时 ， 衬底 完全 反 射 回等离 子体 中． 中 被 图 磁 场强 度方 向 与等离 子 体表 面平 行．
非均匀等离子体对平面电磁波的衰减
１ 实 验 系 统
实验 在微波 暗 室 中进 行 ， 置 如 图 １所 示 。实 验 系 统 主要 由 Ｗｉ ｒｎ ８ ４ Ｂ微 波 信 号 发 生器 、 ８ ６ Ｅ 装 ｌ ｏ ６３ ７ ｔ ＨＰ ５ ３
频谱 分析 仪 、 对微 波宽带 喇 叭和灯 管支 撑架 组成 。微 波信 号 发 生器 通过 发 射 喇叭 以 点频 方 式输 出 电磁波 信 一
修费用 高 ， 消耗能 量 大 ， 电源 重量 过重 ， 生 的等离子 体 为一 束 或体 积 小 ， 产 等离 子体 流 场 难 以稳 定 ， 被 隐身 目 对
标上 的人员 和设备 存 在不 良影 响等 体灌充 于双 层之 间 ， 等离 子体 的产 生和维 持相 对简 单口 该 。 针对 低 功率 、 面积 、 均匀 、 大 非 闭式 等离 子体 在雷 达 隐身应 用 中的可行 性 问题 ， 本文 利用 荧光灯 阵列 形成 闭
在 ４ ４ＧＨｚ电磁波 范 围内 Ｒ Ｓ减 小量 为 ２ ￣２ Ｂ５； 国 海 军研 究 实验 室 ， 究 了 ４种 不 同辉 光 放 电模 ～体对 ｘ波 段 电磁波 的衰 减和 反射 ； 罗斯 克尔德 什研 究 中心针对 战 斗机 ， 俄 设计 了 ３ 代等 离子体 发生 器等 。２ 世 纪 以来 ， 着 等 离 子体 隐身 技 术 的进 一 步发 展 ， ］ ｌ 随 等离 子体 产 生 装 置 更 加 丰 富 ， 如 ： 面波 等离子 体 ， 表 射频耦 合 等离子 体 ， 碳氢 化合 物燃 烧 喷射 等离 子 体 ， 电子 回旋共 振 等 离子 体 ， 电离放 电 强 等离 子体 等 。然 而 ， 目前 的等 离子体 源在 实 际应用 中 ， 到很 多 限制 而不 适 用 于等 离子 体 隐身 需要 ， ： 受 如 维 。而 闭 式等 离 子 体是 将 目标 重点 部 位 的蒙 皮 改 作双 层 结构 ， 将等 离 子
关于“电磁波在非均匀等离子体中的吸收”的评论
ｏＮ ｏＦ ＥＬＥＣ’ ｏＭ ＧＮＥＴＩ ｍ Ｃ
Ｗ ＡＶＥＳ Ｉ Ｎ ＡＮ ＮＨ ＯＭ Ｏ ＧＥＮＥＯＵＳ Ｐ Ｉ ＬＡＳ Ａ” 【
ＺＨＡＮＧ ｉｆｎ Ｈａ—ｅ ｇ ，Ｓ ＨＡＯ ｕ ｑ ｕ ，ＷＡＮＧ ｏ ｇ Ｆ － ｉ２ Ｌｎ１
（ ．Ｂ １ ｂ 曲ｍ ｆ ０ ｓ１ｅ ｈ ｅｅ＾ ｅ Ｓｉ ｏ 一 ｉ ０ ￣０ ． ｈ ｓ ｍｄ 唧 ｃ ｎ ｅ Ⅱ １ ０ ； ｂＣ ｅ ｓ ｇ
：
Ｐ，
所 以综 合 考虑 ， 忽略二 次反 射 时 ， ＝ 处 的反 射 渡到达入 射 区域 （ ） ０ 时的场振 幅为 ：
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Ｐｐ ． ） ｌ（ 严 ） ｅ ｘ （
×ｉ （２ …， Ｊ ｎ ， Ⅱｘ一 。 Ｊ 、 ｅ …
： （ 唧
（ ｉ： ｌ ２ … ， ， ， ｎ）
Ｅ 。＝
（ ＝ ０ ）
因此 总 出射场振 幅为 ：
Ｅ＝∑ Ｅ 。
１ １－ Ｉ ０ ｏ Ｅ １ ２
（ ５ ）
定义 电磁 渡在单 位长 度上 的衰 减率 （Ｂ ｃ 为 ： ｄ ／ｍ）
１ １ｇ ０ｏ
处入射波 、 反射波 、 透射波振幅分 为 Ｅ 、 。 ０ ：Ｅ 、
关于“ 电磁 波在 非 均 匀等 离 子体 中 的 吸收 ＂ 的评 论
张海 峰 邵 福 球 王 龙。 ， ，
（ 中 国科 学 院物 理研 究 所 ， 京 １０ ； １ 北 ０ ￣０
２ 国防 科 技 大 学 理 学皖 应 用 物 理 系 ． 长抄 ４０ ７ ） １０ ３
摘
要： 王舸等 人将非均匀等高 于体分层 ， 认为总 出射 功率等 于每层反射和透射 功率之和 。而实 际上， 作者认
为应是总 出射波振幅等于每层反射和透射振幅之和。 关ｔ 词：非均匀 ； 分层 ； 减率 衰
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方 向传 播 ，则有 ： Ｅ Ｅｅ ｐ ０ ｏ ￣） ＝ ｏ ｕ－ ｘ （ ２ ） 式 中 ：０为 电磁波 的频 率 ， 为 电磁波 的传播 ９
常数 。 由式 （）和式 （）可得 出电磁 波在 等 离 子 １ ２
体 中 的色散关 系为 ：
的相 互 作用 ，并 首 次使 用 了等 离子 体 隐 身这 个 术
８ ９
第 ｌ卷 ２
第４ 期
电子元 器 件 主 用
Ｅｌ ｃｒ ｎ ｃＣｏ ｐ ｎｅ ｔ＆ Ｄｅ ｉｅ Ａｐ ｉａ ｉｎ ｅ ｔｏ ｉ ｍ ｏ ｎ ｖ ｃ ｐｌ ｔｏ ｓ ｃ
Ｖｏ ．２ Ｎ ． Ｉ ｏ４ １
Ａｐ ．２ ０ ｒ ０１
２ １ 年４ ０ ０ 月
过 程 中会 发 生 衰 减 。 而 电 磁 波 到 达 金 属 衬 底 处 时 ，会 被衬 底完 全反 射 而 向空气 出射 。在 向空 气
表 ｌ 衰减与入射频率、碰 撞频率的关 系 （ｏｌ ｌ ｎ＝ Ｏ６。１ ｈ
出射 的 回程 中 ，电磁 波将 再 次衰 减 。如 果忽 略 二
次 反射 ，衰 减后 再 次到 达等 离子 体 与空 气界 面 处 的电磁 波将 全部 出射 回空气 中。假设 电磁波 在 真 空 中 的传播 功 率 为尸 ，经 真 空 与等 离 子体 界 面进 ０ 入 到等 离 子 体 内 的功 率 为 ，被 界 面反 射 的 功率 为 Ｐ ，衰 减 后 离 开 等 离 子体 的 功 率 为 ，那 么 ， Ｒ 当电磁 波垂 直人 射 时 ，在 交 界面 的反 射 功率 将满 足下 式 ：
由于 电磁 波一 般 的解 都 可 以用 平 面波 分 量 的
度 为ｌ 的均 匀 等 离 子 体 上 时 ，由 于等 离 子 体 的 另
一
傅 里 叶积 分来 表 示 ，因此 ，本文 仅 研究 平 面 电磁 波 与 等离 子 体 的 相 互作 用 。 现 假 设 电 磁 波 沿ｚ 轴
侧 为金 属 衬 底 ，且 均 匀 等 离 子体 的密 度 不 变 ，
体 中的传 播 常数 为 ： ｙ 、 ＝ ／ （） ４
式 中 ：实数 部分 Ｏ 为 衰减 系数 ，虚数 部 ／ 称 称 为 相位 常数 。在部 分 电离 型 等离 子 体 中 ， 由于 中性 气体 的密度 远 大 于等 离子 体密 度 ，因此 ，可 以忽 略 电子 与离 子 的碰 撞 。另外 ，由于离 子 的 质
陈 楠 ． 陈 文 波
（ 南华 大学核科 学技 术 学 院 ，湖 南 衡阳 ４ １０） ２０１
摘
要 ：针 对 平 面 电磁 波入 射 到具 有金 属 衬 底 的等 离子体 时 的反射 和 衰减 情 况进 行 了研 究 ，
结果表 明 ：等 离子 体 的各 种 参数 对 电磁 波入 射 到等 离子体 时的 反射 和 衰减 都有 很 大的 影 响 ， 而这 些影响 可 以在 实 际应 用 时进行 相 关的调 节 ，从 而 获取等 离子体 最好 的吸 波性 能 。 关 键词 ：平面 电磁 波 ；等 离子体 ；隐身技 术
语 。等离 子体 隐身技 术 的 原理 是在 飞行 器 表 面形
仁 ＝ 一
（） ３
式 中 ：ｃ 光 速 。这 样 ，其 电磁 波 在 等 离 子 为
成一 层 等离 子体 ，然后 利用 等 离子 体对 电磁 波 的
吸收 、反 射 和折 射效 应 来大 幅度 降 低 反射 电磁 波 的能 量 和雷 达 散射 截 面 （ Ｃ ） Ｒ Ｓ ，从 而达 到 隐 身 目 的 。 目前 ．等离 子体 隐 身技 术 已成 为 国 际上 一个 研 究 热点并 已引起 了广泛 的关 注 。本 文 主要 研 究 垂 直 人射 的平 面电磁 波在 均 匀非 磁化 等 离 子体 中
因 此 ，对 于一 定 频 率 的 人 射 波 ，其 介 电 常 数 不 变 ，故 在等 离 子体 内部 不存 在 电磁波 的反射 。 由
收 稿 日期 ：０ ９ １ — ０ ２０ — ２ １
于考 虑 了碰撞 ，进入 等 离子 体 内 的 电磁波 在 传播
．
ｅｄ．＇ ２ １ ． 电 子 元 器 件 主 硐 ｃ ａ ｌ ０ ０４ ｃｌ ，
１ 电磁 波与 均 匀 等 离 子 体 的 相 互 作 用
电磁波 在等 离子 体 中的传 播方 程为 ：
卜
－ ｊ （） ５ 式 中 ： 为 等离 子 体频 率 ，∞为 电磁 波 频率 ，
×
一
（ １ ）
为 电子与 中性气 体 分子 的碰 撞频 率 。 平面 电磁波 从空 气 中以某 角度 人 射 到有 效 厚
的传播 特性 ，并分 别 给 出 了电磁 波在 等 离 子体 层
中的 衰减 、吸 收 与频率 的关 系 ，以及 它 与碰 撞 频
率 之 间的关 系 ，并 对 结果 进行 了讨 论 。
量 远 大于 电子 的质量 ，故可 以忽略 其运 动 ，而仅
考 虑 电子 的运 动 。这 样 ，就 可 以得 到 等离 子 体 的 介 电常数 ：
第２ ０ ４ １卷 年 月 ２ 期 ０ 第４ １
撬恭
ＶＩ２Ｎ． ｏ１ ｏ ． ４
Ａｐ ．２ １ ｒ ００
ｄ ｉ Ｏ ９ ９ ．ｓ ．５ ３－７ ５２ １ ． ． ８ ｏ： ． ６ ／ｉ ｎ１ ６ － ９ ．０ ００ ０ ｌ ３ ｊｓ ４ ４２
均匀非磁化 等离子体 对入射平 面 电磁 波的吸收
０ 引 言
电磁 波 与等 离子 体 之 间 的相互 作 用 是等 离 子 体 物 理学 中重 要 的研究 方 向之 一 。近年 来 。研 究 表 明 ：等 离 子 体 在 飞行 器 隐 身 方 面 具 有 良好 前 景 。美 国的Ｖ ｄ ａ研 究 了 雷达 波与 大 气 等离 子 体 ｉｍ ｒ
ｌ — Ｉ ２
０． １ Ｏ５ ． １Ｏ ． １５ ． ２Ｏ ．
２ ５ ２ ７
１ ｌ ２ Ｏ
７
３１ ．
１７ ． １８ ．
１７ ． １７ ．