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。     

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。     

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．     

典型大气窗口太赫兹波传输特性和信道分析

在已有大气传输模型的基础上,发展了新的太赫兹波大气传输衰减与色散模型,对宽频太赫兹波在真实大气中传输的衰减和色散特性进行了数值模拟研究.改进太赫兹时域光谱技术,对0.3—2.0 THz频段太赫兹波的大气传输特性进行了透射光谱测量,并得到了一组连续吸收参数.比对发现实验窗口区强度和吸收峰的位置都与计算结果符合得很好.据此选取了三个可行的信道:340,410和667 GHz窗口区,利用线性色散理论和无线通信原理分别从物理上精确地计算了这些信道的群速色散参数和信道容量,并分析了影响最大传输数据率的因素-天线增益.研究结果表明:太赫兹波大气传输1 km时,这三个信道群速色散很小,信号不易被展宽;最大传输速率达十几Gbps,高于单模光纤,但需要更高的天线增益.     

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。     

太赫兹波在磁化等离子体中传输特性

建立了电磁波穿过磁化等离子体鞘套的一维模型,并采用数值分析方法对太赫兹（THz）电磁波在磁化等离子体鞘套中传播时的反射率、透射率和衰减值进行了计算仿真,分析了磁化条件下磁场强度、太赫兹波频率、等离子体鞘套厚度、等离子体碰撞频率和等离子体密度对太赫兹波在磁化等离子体鞘套中传播特性的影响。仿真结果表明:排除衰减波峰对应的频率范围,外加磁场有效降低了太赫兹波传输的衰减,在固定磁场强度下,衰减波峰两侧的衰减值均达到了5 dB以下,有效地解决了通信黑障问题。     

太赫兹波大气传输衰减模型

基于修正的Van-Vleck Weisskopf线型、辐射传输色散理论和水汽连续体吸收模型,结合HITRAN数据库,建立了太赫兹波大气传输衰减模型——VVWH,形成了对宽频太赫兹波在真实大气中水平传输衰减的数值模拟能力。同时对太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)获取的透射光谱实测数据进行了对比分析。计算结果与实验结果总体变化趋势一致,在吸收谱线处两者吻合良好,但在低频的大气窗口区,实验结果相比计算呈现出更强的传输衰减。考察了相对湿度对太赫兹波大气传输衰减特性的影响变化。     

太赫兹大气传输特性实验研究

太赫兹在高速率通信、高分辨力雷达等方面具有广阔的应用前景,而对太赫兹辐射的大气传输特性及其规律进行系统的理论与实验研究则是发展利用该频谱资源的基础条件。对大气作用于太赫兹频段电磁辐射的吸收衰减进行了实验测试研究。通过双光路的差分系统设计,尽可能地减小太赫兹辐射源输出功率不稳定性所产生的系统误差,完成大气模拟环境下太赫兹波段多个频点传输的功率变化测定,以探索大气环境对不同频段THz波衰减的规律性;同时,建立太赫兹大气传输特性动态数据库对海量大气环境数据进行有效地分析,为实验数据处理及理论研究提供支持。收稿日期:; 修订日期:     

不同模态沙尘暴对太赫兹波的衰减分析

太赫兹波空间传输特性研究对于太赫兹波在空间中的应用具有重要意义.为研究太赫兹波在沙尘暴天气中的传输特性,本文根据沙尘粒子尺度的对数正态分布,应用Mie散射理论和Monte Carlo方法,分析了国内不同地域的六种干沙模态沙尘暴对1—10 THz频段太赫兹波的衰减特性,给出了消光参量和衰减率与频率的关系.结果表明,随着频率的增大,1—10 THz频段太赫兹波的衰减率呈先增加后减小的趋势,沙尘暴的模态不同,太赫兹波衰减较强的频段范围有所不同.为了分析沙粒含水量对太赫兹波传输衰减的影响,计算了不同尺寸的沙尘粒子3个效率因子与含水量的关系,发现粒子尺寸不同,含水量对消光的影响也不同;应用Monte Carlo方法计算了两种湿沙模态的沙尘暴对1—10 THz频段太赫兹波的衰减,给出了衰减率与含水量及频率的关系.结果表明,随沙粒含水量增大,沙尘暴对太赫兹波衰减较强的频段向低频方向移动,含水量小于5%时,太赫兹波衰减率随含水量增大显著增强,湿度较大的沙尘暴天气对太赫兹波的传输衰减影响更大.     

THz电磁波在时变非磁化等离子体中的传播特性研究

本文建立了时变非磁化等离子体平板的一维模型,并采用时域有限差分(FDTD)方法对太赫兹(THz)电磁波在时变等离子体中传播时的反射、透射系数及吸收率进行了计算.然后根据计算结果分析了时变等离子体的上升时间、电子密度、温度以及等离子体平板厚度等参数对不同频段THz波在等离子体中传播特性的影响.分析结果表明:THz波在时变等离子体中传播时,其反射系数受等离子体电子密度和上升时间的影响较大;而吸收率则随着上升时间的减小、电子密度及平板厚度的增加而增大;此外,THz电磁波能够穿透量级为1020m-3的高密度等离子体层,可以作为再入段飞行器通信以及高密度等离子体诊断的理想工具.     

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。     

电磁波在大气层人造等离子体中的衰减特性

利用洛沦兹模型来研究大气层人造非均匀等离子体的电磁响应特性,讨论了电磁波频率、等离子体密度及电子碰撞频率对电磁波衰减特性的影响.结果表明,电磁波在长波长区域及等离子体密度大时,其能量衰减越快.当等离子体密度高时,电子温度越低,大气层高度越高,电磁波的能量衰减越快. 关键词： 电磁波 大气等离子体 能量衰减     

S—Ka频段电磁波在等离子体中传输特性的实验研究

在感应耦合等离子体风洞上开展了等离子体中电磁波传输特性实验研究,获得了不同频率电磁波在等离子体中的传输衰减.通过微波诊断技术,获得了等离子体射流的电子数密度和碰撞频率.通过矢量网络分析仪和标准增益天线组成的电磁波传输特性测试系统,获得了电磁波经过等离子体之后的衰减,研究了电子数密度范围7.0×10~(10)-1.0×10~(13)cm~(-3)、等离子体碰撞频率在109 Hz量级的等离子体对2.6—40 GHz不同频率电磁波传输特性的影响,分析了经典传输理论和薄层理论预测结果与实验结果的差异.该实验工作为等离子体中电磁波传输特性的理论研究和数值仿真提供了基础数据.     

高温等离子体中太赫兹波的传输特性

通过解析方法研究了高温等离子体的太赫兹波传输特性.研究发现,高温等离子体对太赫兹波高频频段透过率较高,表现为通带;对低频频段透过率较低,表现为阻带.这与冷等离子体中电磁波的传输特性是一致的.但其透射率还受到温度与磁场的影响,当改变高温等离子体的电子温度与磁场时,在阻带内会产生一尖锐的透射峰.这种现象在冷等离子体模型中从来没有出现过.本文主要对电子温度和外加磁场两个影响因素进行讨论.研究发现,禁带内出现的透射峰频率受磁场影响,而峰值幅度受温度影响.计算得到了不同外加磁场条件下产生高透过率(透射率约为1)时的电子温度.基于该结果进一步研究了透射峰出现的规律,并通过曲线拟合的方法得到了透射峰频率所遵循的计算公式.数值结果表明透射峰频率与外磁场之间为正比例函数关系,而峰值电子温度取值与外磁场的关系表现为指数规律.最后对拟合得到的方程采用时域有限差分法进行了验证,数值结果与解析解符合较好,证明了该研究的正确性.     

毫米波在等离子体中的衰减特性研究

为了研究毫米波与等离子体的相互作用,采用时域积分法对毫米波在等离子体中传输时的衰减特性进行了仿真,初步研究了毫米波在等离子体中传输时的衰减值与等离子体密度、碰撞频率及其工作频率之间的关系.通过理论结果和仿真结果的分析比较,验证了仿真可以为理论研究提供数据支撑的可行性. 关键词： 毫米波 等离子体 时域积分法 衰减     

太赫兹波在雾中的多重散射特性

太赫兹(THz)波作为微波和毫米波的延伸,它所提供的通信带宽和容量远大于毫米波。在随机介质中传播时,不但会发生时域和空域的形变,介质中的粒子还会对入射波发生散射,这些都会使得脉冲信号发生衰减。根据Mie理论与随机离散分布粒子的波传播与散射理论,计算了THz波信号入射下雾滴粒子的消光系数。结合雾滴粒子谱分布,得到了雾媒质的平均体系散射特性,采用蒙特卡罗法得到了平流雾对THz信号的多重散射特性,计算了THz波段信号对平流雾的透过率与反射率,分析了THz波段信号的前向、后向散射特性随散射角的分布。结果表明,低能见度大气环境中,雾对THz波产生的吸收和衰减不容忽视。相关研究结果对THz在大气传输、通信等方面的应用具有重要意义。     

Plasma characteristics and broadband electromagnetic wave absorption in argon and helium capacitively coupled plasma

A one-dimensional self-consistent calculation model of capacitively coupled plasma(CCP) discharge and electromagnetic wave propagation is developed to solve the plasma characteristics and electromagnetic wave transmission attenuation.Numerical simulation results show that the peak electron number density of argon is about 12 times higher than that of helium, and that the electron number density increases with the augment of pressure, radio frequency(RF) power, and RF frequency. However, the electron number density first increases and then decreases as the discharge gap increases. The transmission attenuation of electromagnetic wave in argon discharge plasma is 8.5-d B higher than that of helium. At the same time, the transmission attenuation increases with the augment of the RF power and RF frequency, but it does not increase or decrease monotonically with the increase of gas pressure and discharge gap. The electromagnetic wave absorption frequency band of the argon discharge plasma under the optimal parameters in this paper can reach the Ku band. It is concluded that the argon CCP discharge under the optimal discharge parameters has great potential applications in plasma stealth.     

开放空间等离子体对微波传输影响的模拟研究

以氮气为背景气体,采用脉冲式微波产生等离子体,使用另外一束连续波作为传输模拟对象,并基于扩散效应的全域模型分析等离子体电子温度与电子密度的演化过程。实验中放电气压为300Pa,实验结果表明:在微波脉冲开始之后极短的时间内,连续波接受信号发生剧烈衰减;而在微波脉冲结束后,连续波接受信号则缓慢恢复。微波传输主要受到等离子体电子密度的影响,而全域模型的计算结果显示等离子体电子密度在开始放电时迅速上升,甚至高于放电微波频率对应的临界密度,在放电微波脉冲结束时电子密度则缓慢下降。这说明开放空间中等离子体在失去能量维持之后,由于扩散效应占主导作用,电子密度不会迅速下降,此时连续波依然会被阻碍,直到电子密度下降到连续波频率对应的临界密度以下。