柱状等离子体微波透射衰减数据的测量及其应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)脉冲功率激光技术国家重点实验室电子工程学院 作者:程 立

  微波透射衰减数据是研究等离子体与微波相互作用时的重要实验数据,本文针对柱状等离子体,分析了准确测量其微波透射衰减所应满足的三个条件:等离子体等厚、入射波远场、等离子体反射可忽略;并设计了满足上述条件的测量实验。除直接用于分析等离子体参数对微波传输的影响外,本文提出了该数据的另外两种用途:诊断等离子体参数、判定等离子体稳定性。

  等离子体隐身技术作为一种新概念的隐身技术,受到世界广泛关注,等离子体与微波相互作用的理论与实验研究是其中一个重要的方面,而微波穿透等离子体时的透射衰减数据则是实验研究中的一个重要实验数据。柱状等离子体是受柱状放电腔约束而形成的等离子体,其通过组合可形成类等离子体平板层的结构,文献通过从理论角度仿真分析了该平板层结构用于目标隐身的可行性,透射衰减数据则是后续实验研究其与微波相互作用的重要依据。文献给出了测量透射衰减的一般过程,并没有明确给出准确测量所需满足的条件,其得到的测量结果只是一个粗略的结果;再者由于柱状等离子体表面存在曲率,其对入射的微波有发散作用,若仅是简单依据文献给出的实验过程,其透射衰减测量结果将更偏离准确值,从而无法实现透射衰减的准确测量。

  本文针对文献在测量柱状等离子体微波透射衰减时的不足,通过分析等离子体微波透射衰减测量原理图,首先提出了实现单根柱状等离子体透射衰减准确测量所必须满足的三个条件,然后合理设计实验使其满足上述条件,实现了柱状等离子体透射衰减的准确测量,最后提出该透射衰减数据的三种用途。

  1、透射衰减准确测量的条件及其说现

  等离子体微波透射衰减测量实验原理图如图1所示,假定平面波垂直入射等离子体表面并能够全部进入,而不引起反射,则可通过测量产生等离子体前后的S210和S21,进行相减处理即可得到微波透射衰减SdB。

等离子体微波透射衰减测量原理图

图1 等离子体微波透射衰减测量原理图

  通过分析原理图,总结得到若要实现准确测量,实验必须满足以下三个条件:

  (1)等离子体的等厚条件。等离子体等厚时,等离子体表面法向与入射波方向一致,这样可使入射的平面电磁波不会因等离子体表面的不规则散射而改变传播方向,从而无法被喇叭接收到,导致测量误差。

  (2)入射波的远场条件。由于实际实验中使用的是矩形喇叭天线,其发射波为介于柱面波与球面波之间,只有在满足远场条件时才可近似认为是平面波。

  (3)等离子体反射可忽略的条件。在理论分析中,假定了电磁波可完全进入等离子体,不引起反射,从而才可以认为产生等离子体前后测量的透射功率的差值即等离子体而造成的透射衰减。

  下面分别分析如何设计实验满足上述测量条件。

  (1)等离子体的等厚条件

  实验中选择使用两块金属板在柱状放电腔两侧进行遮挡,仅留出约2~3cm的距离(根据等离子体柱的直径大小)供电磁波穿过,如图2所示。

金属铝板置位示意图

图2 金属铝板置位示意图

  这里,使用金属平板可以起到两方面的作用。一方面,使得微波没有穿过等离子体的部分不能进入接收喇叭,从而不会对结果产生影响;另一方面,金属平板从两侧遮挡住部分等离子体柱,尽可能的减弱了圆柱曲面的影响,使电磁波在等离子体中的透过距离相等,从而使得电磁波穿透过的等离子体尽可能的满足等厚条件。

  结论

  通过分析,本文得到了实现透射衰减准确测量必须满足的三个条件:等离子体的等厚条件、入射波的远场条件和等离子体反射可忽略的条件,依据上述条件设计实验实现了对柱状等离子体透射衰减的准确测量;除用于分析等离子体对微波传输的影响外,本文提出了透射衰减数据的另外两种用途:诊断等离子体参数、判定等离子体状态的稳定性。

  利用本文的测量实验,可以为采用双频点微波透射衰减诊断法实现等离子体参数的准确诊断以及分析外界因素对等离子体状态稳定性的影响提供可靠的原始数据。

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