太赫兹波斜入射到磁化等离子体的数值研究

针对“黑障”问题,借助于电磁波斜入射到磁化等离子体的传输模型,研究了太赫兹(THz)波在磁化、均匀等离子体中的传输特性,分析了太赫兹波在磁化等离子体中传播的反射、透射以及衰减。仿真结果表明,等离子体碰撞频率、电子密度、入射角度以及磁场强度,对衰减产生不同的影响。单纯的增加碰撞频率,衰减值呈现出先增大后减小的变化趋势;电子密度的增加,与衰减峰值的大小有关;外加磁场加入,衰减值降低。通过调节外加恒定磁场,可以有效地解决“黑障”问题。     

基于Z-FDTD的THz波与等离子体相互作用

利用Z变换时域有限差分法(Z-FDTD)计算等离子体鞘层中太赫兹(THz)波的传输特性,得出太赫兹波的功率反射和透射系数在等离子鞘层中随电磁波频率的变化曲线图,分析了太赫兹波的传输特性与等离子体结构参数(鞘层厚度、碰撞频率以及电子密度)的关系,对利用太赫兹波缓解等离子体鞘层通信中出现的“黑障”现象做了探讨。结果表明:太赫兹波能改善等离子体鞘层通信,为解决“黑障”问题提供了有效途径。     

时变磁化等离子体的LTJEC-FDTD方法研究

基于拉普拉斯变换的电流密度卷积技术（LTJEC）,构造了时变磁化等离子体的新型时域有限差分方法（LTJEC-FDTD）。借助于高斯脉冲在磁化等离子体中的传播实例,验证了LTJEC-FDTD算法的准确性及高效性。进一步,研究了Whistler波在一维时变磁化等离子体中的具体传播特性。结果表明,当离子体频率随时间指数衰减后,输出波的频率上升、极化方式不变,而电场增强、磁场减弱。同时,通过优化磁化等离子体参数,可进一步提高Whistler波的输出频率,获得了频率为300 GHz的圆极化太赫兹波。研究结果可为利用磁化等离子体产生太赫兹波源提供相关的技术支持。     

电磁波在非均匀磁化的等离子体鞘套中传输特性研究

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.然后根据RAM-II飞行器等离子体鞘套数据,利用计算色散介质的Z变换FDTD方法主要计算了电磁波在四个不同高度处等离子体鞘套中的功率反射系数和功率透射系数.此外,根据目前可以做出的磁场强度的大小,对四个不同高度下的非均匀等离子体鞘套层按距飞行器表面的距离进行相应的非均匀磁化.由于左旋极化波和右旋极化波在磁化等离子体中的传输特性不同,最后对比了左旋极化波、右旋极化波在非磁化和磁化情况下的传输特性,对飞行器导航通信磁窗天线的设计给出建议.     

太赫兹波在非磁化等离子体中的传输特性研究

本文对太赫兹波在非磁化等离子体中的传输特性进行了理论和实验研究,得到了非磁化等离子体中太赫兹波传输特性随太赫兹波频率、等离子体密度、碰撞频率和厚度的变化规律．发现了一些新的现象：随着太赫兹波频率增加,反射率曲线出现周期性振荡,振荡周期为0．03THz．随着太赫兹波频率增加,振荡幅度增加：随着等离子体密度增加,振荡幅度减小;随着等离子体碰撞频率增加,振荡幅度增加．反射率曲线出现振荡的原因是电磁波在z=0和z=-d界面处的多次反射所致．以激波管为实验平台进行了0．22THz太赫兹波在等离子体中传输特性的实验研究,实验结果和理论结果符合较好．理论和实验结果均表明,采用太赫兹来实现地面与飞行器之间的通信互联是解决黑障问题的可选途径之一．     

均匀磁化等离子体与雷达波相互作用的数值分析

采用平板几何对不同磁场强度下等离子体对电磁波的吸收、反射和透射特性进行了数值分析.结果表明,不同磁场可以显著改变等离子体对不同频率的雷达波的吸收和反射特性.当雷达波频率接近等离子体高混杂频率时,磁化等离子体将对该波产生强的共振吸收,带宽在2GHz左右,吸收比可达90%以上.因此,通过适当调整磁场强度、等离子体密度和碰撞频率,可实现较宽雷达波段的等离子体隐身 关键词： 电磁波 磁化等离子体 共振吸收 等离子体隐身     

基于FDTD方法的THz电磁波反等离子体隐身特性分析

本文首先建立了非磁化等离子体覆盖金属目标的一维模型,然后结合该模型采用辅助差分方程时域有限差分(ADE-FDTD)方法对太赫兹(THz)电磁波在等离子体覆盖层中传播时的衰减系数进行了计算,并根据计算结果分析了等离子体碰撞频率、电子密度以及密度分布对不同频段THz电磁波吸收效果的影响.分析结果表明,等离子体覆盖层对处于太赫兹频段范围内的入射电磁波衰减很小,THz探测技术可以作为对抗等离子体隐身技术的一种有效手段.     

THz波在不同角度磁化的非均匀磁化等离子体中的传输特性分析

为利用太赫兹波解决飞行器再入过程遇到的“黑障”问题,以散射矩阵方法为基础,分别以非均匀磁化等离子体的磁化方向、电子密度、外加磁场强度和碰撞频率为变量,研究了垂直入射情形下它们对太赫兹波传输行为的影响.结果表明:这些参数对太赫兹波传输性能影响明显,例如按某一方向改变磁化角度对左极化和右极化太赫兹波的传输功率有相反的影响;降低磁化强度能一定程度地避开等离子体对右极化波的吸收;而降低碰撞频率能缩小等离子体对右极化波的吸收频带.通过调整这些参数,有望在一定程度上缓解黑障现象.     

毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性

针对黑障区高速飞行器测控通信研究需求,在激波管设备上开展了Ka波段毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性的实验研究,获得了不同电子密度和碰撞频率的等离子体中传输衰减特性实验数据。采用辅助差分方程的时域有限差分（ADE-FDTD）方法对实验进行了数值模拟,数值模拟结果和实验结果有很好的一致性。实验结果和数值模拟结果均表明:太赫兹波信号在相同的实验等离子体中传输衰减比毫米波信号小得多,具有更强的穿透等离子体能力;毫米波与太赫兹波信号在等离子体中传输衰减量随着等离子体电子密度的增加而增加,二者的差值也增加;太赫兹波能够作为解决高密度等离子体中电磁波传输的有效技术手段。     

磁化碰撞等离子体对雷达波的共振吸收

使用平板几何对雷达工作频段的电磁波在磁化碰撞等离子体中的传播作了数值计算,计算结果表明,在均匀等离子体中,当等离子体碰撞频率f∞=0.1,0.5,1GHz及电磁波频率接近高混杂频率时,电磁波衰减和被吸收功率出现最大峰值,即出现共振吸收;当fen=1,10GHz时,电磁波衰减、被吸收功率和透射功率曲线变得很平坦;衰减和吸收功率随等离子体密度的增大而增大,在n=10^11cm^-3时,衰减可达100dB,吸收比可达80％。在非均匀等离子体中,电磁波的反射功率峰值比在均匀等离子体中大。因此,磁化均匀等郭了体更有利于等离子体隐身。     

太赫兹波在飞行器等离子体鞘套中的传输特性

针对临近空间飞行器的黑障问题,根据模拟的RAM C-Ⅲ飞行器周围的流场分布结果,计算了等离子体电子密度和碰撞频率,并根据其分布建立了非均匀的等离子体模型。在此基础上,利用散射矩阵方法分析了太赫兹波在等离子体中的传输特性随着等离子体密度、等离子体厚度、等离子体碰撞频率的变化以及外加磁场对传输特性的影响。结果表明,太赫兹波的传输损耗随着等离子体电子密度和等离子体厚度的增加而增加,而碰撞频率的增加会使得透射率先减小后增加。在外加磁场的作用下,左旋太赫兹波的传输特性会得到改善;而对于右旋太赫兹波,磁场的施加会引入吸收峰,并且随着磁感应强度的增加向高频方向移动。     

等离子鞘套中毫米波大气窗口的衰减特性

为了探索出减缓飞行器在临近空间出现的通信黑障问题,结合毫米波大气窗口在大气传输的优越性,根据RAM C提供的飞行试验数据,建立双指数分布、Epstein分布和高斯分布三个等离子体鞘套模型,用Z-FDTD算法计算毫米波大气窗口在等离子体鞘套中传播的衰减特性。综合分析可得:可采用35 GHz所在的Ka频段和以220 GHz所在的太赫兹频段的双频测控工作通信系统,此搭配可较好满足对高超声速飞行器在临近空间巡航时的测控需求。     

外加电磁窗减缓再入飞行器的通信中断

为解决再入过程中的黑障问题,在前期磁窗天线增强等离子体透波特性研究基础上,开展了外加电磁窗影响研究,磁体为钕铁硼,外加电压为100 V。利用不同飞行高度下的流场数据,对不加电磁场、外加磁场和外加正交电场与磁场影响下的流场进行数值模拟,对比不同参数设置下天线窗口处的电子密度和电磁波衰减常数,分析了再入飞行器的飞行高度、天线窗位置、电磁波频率、电子密度和碰撞频率等参数对电磁窗天线性能的影响。从分析结果可以看出,外加正交电场与磁场对于减缓再入过程中黑障的效果优于仅外加磁场,通过合理选择电磁窗的工作状态和参数可以改变等离子体的分布特性和介电参数,能够有效地增强电磁波在等离子体鞘套中的传输,为解决和减缓通信中断问题提供了一种可能的途径。     

磁化分层等离子体中电磁波传播特性研究

采用混合矩阵法,分析了磁化分层等离子鞘套对斜入射电磁波传播特性的影响,分别计算了不同入射角以及外加磁场下电磁波透射系数和极化特性的变化。以GPS导航信号右旋圆极化波(RCP)为例,研究了磁场、电子密度对电磁波右旋圆极化特性的影响。结果表明,外加磁场能够使右旋圆极化波在等离子体中的阻带向高频方向移动,此外,外加磁场能在一定程度上改善斜入射是圆极化波的极化特性,有利于GPS信号接收。     

时空非均匀等离子体鞘套中太赫兹波的传播特性

高超声速飞行器再入地面的过程中,其周围等离子体的电子密度是非均匀且随时间变化的.对于不同的再入高度,飞行器周围的温度和压强也会发生改变.因此,研究电磁波在时空非均匀等离子体鞘套中的传播特性意义重大.首先建立了时变非均匀的等离子体鞘套模型,然后通过经验公式得到温度、压强与碰撞频率三者的关系.采用时域有限差分方法计算了太赫兹波段中不同电子密度弛豫时间、温度、压强时的反射系数、透射系数和吸收率.研究结果表明:在太赫兹波段中,电子密度的弛豫时间越长,温度越高,压强越大,电磁波越容易穿透等离子体;弛豫时间越短,温度越低,压强越小,等离子体对电磁波吸收率的变化越明显.这些结果为解决"黑障"问题提供了理论依据.     

外加磁场微波等离子体喷流对平面电磁波衰减的实验研究

采用空间透射波测量方法,实验研究透波密闭石英玻璃容器内等离子体喷流对垂直和水平极化电磁波的衰减,在有和无外加磁场条件下分析实验参数对等离子吸波效应的影响,分析等离子体的吸波机理.实验结果表明在非磁和本实验条件下,平面电磁波在等离子体中的衰减机理为碰撞吸收;在有磁和本实验条件下,平面电磁波在磁等离子体中的衰减机理同样为碰撞吸收,但是外加磁场的存在有限地改善了等离子体的吸波效应.为了使磁等离子体最有效地吸收电磁波,应该提高磁场感应强度,把高频混杂频率提高到测试微波频率范围内,或降低微波测试频率至本实验中的高混 关键词： 等离子体相互作用 电磁波 电磁波在等离子体中的传输     

Interaction of terahertz waves propagation in a homogeneous,magnetized, and collisional plasma slab

ABSTRACT

The properties of terahertz waves propagation in a homogeneous, magnetized, and collisional plasma are studied in this paper. We first theoretically calculate the reflectance and absorbance coefficients for terahertz waves passing through this region. Then, numerous simulations are conducted to investigate the influence of the plasma on the terahertz waves propagation. According to the results, the plasma density, collision frequency, and magnetic field play important roles in dielectric spectra, and then result in large impacts on the propagation with the variation of the plasma thickness, incident angle, and the gas pressure. The absorbance increases with the increase of plasma density, and the collision frequency. With respect to the collisional absorption and electron cyclotron resonance, the absorbance first increases to its maximum peak and then decreases as the wave frequency increases. When the plasma density increases, the peak value shifts to a higher frequency. Meanwhile, the plasma slab acts as the absorber or reflector with the variation of the gas pressure and the plasma thickness. These results provide supplementary information on the terahertz waves propagation in plasma and can serve as a theoretical basis for its application.