单层柱状等离子体阵列对微波透射衰减影响的实验研究
利用矢量网络微波测试系统测量了单层柱状等离子体阵列对2~18GHz微波的透射衰减，分析了微波极化方向、等离子体密度、阵列中的单元间距等因素对微波衰减的影响。结果表明，该结构对TM波的衰减大于对TE波的衰减；对TM波的作用频段约为2~10GHz，而对TE波仅为2~7GHz；在作用频段内，增大电子密度、减小单元间距均可以在整体上改善对微波的透射衰减。
等离子体对微波的传输会产生一定的影响，而等离子体及其参数的空间分布是决定影响大小的重要因素。在通过实验方法研究等离子体对微波传输的影响时，往往由于所产生的等离子体的空间分布无法控制，而导致无法系统地开展这项研究。
本文采用多个圆柱形腔体来约束等离子体，可以很方便地控制等离子体的参数，并通过对腔体适当的排列组合控制等离子体在空间的分布。论文首先交代了所采用的单个柱状等离子体的参数特征，然后通过矢量网络微波测试系统测量了单层等离子体阵列对微波的透射衰减，分析了微波极化方向、等离子体密度、阵列中的单元间距等各种因素对微波衰减的影响。
1、放电单元特征及实验图示
本文采用圆柱形放电腔通过高频放电产生柱状等离子体。为保证测量得到稳定的透射衰减曲线，放电单元产生的等离子体要具有良好的稳定性。通过实验分析，采用直径d=2.5cm、长度l=60cm、填充某混合气体且气压为p的放电管，在现有实验条件下，当放电管两端加上高频交流电压，且放电频率为f时，其腔体产生的等离子体具有很好的稳定性，其中放电管放电回路外加交流200V电压，高频放电频率在千赫兹量级。采用等离子体双频点诊断理论得到其产生的等离子体电子密度在1017m-3、碰撞频率在109Hz数量级上。
将放电单元并行排列可形成单层等离子体陈列，其透射衰减测量实验装置如图1所示，图中，喇叭天线对准等离子体柱阵列中间位置。实验测量的微波频率范围为2~18GHz，具体采用了两对喇叭天线，其测量频率范围分别在2~18GHz和8~18GHz，测量得到的透射衰减数据为矢量网络分析仪的S21参数。
利用上述矢量网络微波测试系统可以测量单层等离子体阵列在不同条件下对微波的衰减情况，下面分别从入射波的极化方向、等离子体电子密度Ne、等离子体间距三个角度分析实验结果。
图1单层等离子体柱阵列透射衰减测量系统
2、实验结果分析
2.1、极化方向的影响
图2为TM、TE波穿过单层等离子体柱阵列的透射衰减随入射波频率的变化曲线。两种极化波极化方向如图1所示。从图2中可以看出，单层等离子体柱阵列对TM波的衰减明显大于对TE波的衰减，特别在图2(b)中313GHz处相差近5dB；阵列结构在对入射波频率大于7GHz时对TE波已基本没有衰减，而对于TM波则明显超过此频点；同时，对比图2(a)、(b)；等离子体柱间距从0cm增大到2.5cm时，衰减整体减小，TE波的衰减作用频段明显向低频移动。
这里，等离子体对TM波衰减较大，可能是因为存在线性模转换共振吸收造成的。因为，对于单根等离子体柱，其本身的密度沿径向呈一阶贝塞尔函数分布，即在径向上呈现梯度分布，从而导致单层圆柱等离子体阵列在径向上的电子密度呈现周期性变化，这样，由于TM波中的E矢量平行等离子体柱径向，即平行于密度梯度，从而符合线性模转换共振吸收的条件。
图2 单层等离子体柱阵列对不同极化波的透射衰减
2.2、电子密度的影响
图3为等离子体电子密度分别为1×1017，2×1017m-3时TM波的透射衰减随入射波频率的变化曲线，图中，电子密度Ne的标注省略单位(m-3)。从图中可以看出，等离子体电子密度增大，透射衰减整体增大，且在2~10GHz基本都有2~4dB的衰减增加；从图3(a)、(b)可以明显看出，密度增大，衰减峰值略向高频移动。从图3(b)可以看出，当频率高于10GHz时，等离子体柱阵列对TM波基本没有衰减作用，即使增大电子密度也没有多少改善。因而，单层等离子体柱阵列对TM波的作用频段基本在2~10GHz，在此频段，可以通过调节电子密度改变柱阵列对电磁波的透射衰减。
图3 单层等离子体柱阵列不同电子密度时的透射衰减
增大电子密度会增大对入射波的透射衰减，这在理论上可解释如下：电子密度增大，等离子体对入射能量的反射和吸收均会增强，相应地，透射能量减小，因而，透射衰减效果得到改善。
2.3、柱间距的影响
图4为等离子体柱间距分别为0，2.5cm时对TM波的透射衰减随入射波频率的变化曲线。从图中可以看出，在2~10GHz频率范围内，随等离子体柱间距增大，透射衰减曲线整体上升，衰减减小，在图4(c)、(d)中可以看出，衰减峰值位置略向低频移动。同时，由图可以看出，当频率大于10GHz时，等离子体柱阵列几乎没有衰减作用，间距改变几乎没有影响。间距变化对透射衰减的影响可理解为：当间距增大，等离子体对入射能量的反射和吸收减少，透射能量增大，因而在曲线表现出衰减曲线的整体上移。
图4 单层等离子体柱阵列不同间距时的透射衰减
3、结论
综合以上实验结果，可以得到以下结论：
(1)单层等离子体柱阵列对TM波的透射衰减大于TE波，且对TM波的作用频段在2~10GHz，而对TE波的作用频段仅为2~7GHz。
(2)在单层阵列结构对微波的作用频段内，调节电子密度可以改变等离子体阵列对微波的透射衰减，且电子密度增大时衰减峰值略向高频移动。
(3)在单层阵列结构对微波的作用频段内，随着单元间距的增大，透射衰减是整体减小的，且衰减峰值位置向低频移动，即间距的增大不利于透射衰减。
以上结论为进一步研究圆柱等离子体阵列的微波传输特性奠定的基础，下一步将开展研究多层阵列结构对微波透射衰减传输特性的影响以及陈列结构遮蔽目标时对微波回波传输特性的影响。
