大面积表面波等离子体源微波功率吸收的数值模拟研究

建立了大面积矩形表面波等离子体(SWP)源全尺寸的三维模型,用数值模拟的方法研究了SWP源基于碰撞的功率吸收问题,给出了随等离子体参数变化的微波反射率曲线,分析了不同天线对微波功率沉积的影响,并讨论了微波功率吸收和表面波的定性关系. 结果发现,均匀放电的SWP源功率沉积本质是由表面波等离子体的性质决定的,等离子体密度太大或太小都不利于功率吸收. 在正常工作气压下,SWP源通过碰撞机理即可以实现微波功率的有效沉积,微波吸收率可达80%以上,与已有实验相符. 本研究同时发现,天线阵列激发的表面波模式越紧凑,强度越大,越有利于微波的吸收. 关键词： 时域有限差分法 等离子体表面波 功率吸收 狭缝天线     

大面积表面波等离子体的特性研究

介绍一种矩形反应腔体结构的表面波等离子体源，通过对垫层介质及天线结构的优化设计，产生了大面积均匀的等离子体.采用静电探针测量了等离子体参数(密度，电子温度)在不同运行条件(气压，功率)下的空间分布；采用扩散模型，数值模拟了等离子体密度在垂直方向上的空间分布，并比较好地解释了实验测量结果. 关键词： 表面波等离子体 狭缝天线 数值模拟 探针测量     

环形波导狭缝天线产生的氩等离子体特性研究

研制了一种环形波导腔环绕直径３０ｃｍ,高５０ｃｍ耐热玻璃圆筒真空室构成的新的大面积微波等离子体源。环形波导内侧开有多个用来激励产生等离子体的狭缝,相邻狭缝间的距离为半个波导波长。利用该装置研究了微波功率,工作气体对氩等离子体特性的影响。     

可重构等离子体角反射器天线的设计与仿真北大核心CSCD

本文设计了一款由低成本荧光管构成,工作频率为3GHz的新型可重构等离子体角反射器天线,并采用电流密度卷积时域有限差分(JEC-FDTD)算法对该新型天线的辐射特性进行了计算和分析.计算结果表明,等离子体角反射器天线能够在微秒量级内完成全向、单波束及双波束的天线波形切换,实现天线辐射特性的快速动态重构.此外,与金属天线相比,该天线还具有工作频带宽更宽,天线增益高,能更好的将辐射波束向指定方向发射等优点.因此具有广阔的应用前景.     

边缘形貌缺陷对条状光学天线响应特性的影响

使用有限时域差分法,模拟计算了天线边缘的凹凸缺陷对硅基底上的条形天线的响应特性及电场分布的影响.计算结果表明:两种类型的缺陷都将改变缺陷附近的电场方向和电场强度,凸起缺陷可以使其附近的电场增强,而凹陷缺陷则相反,且缺陷越靠近天线末端,对电场的影响越强.缺陷大小和位置不同,对电场增强面积的影响不同.凹陷缺陷位于天线末端时,随着缺陷的增大,电场强度增强2倍的区域单调减小,增强4倍的区域面积单调增加.当缺陷为20nm时,电场强度增强2倍的区域面积降低约3%,增强4倍的区域面积增加约4%.与凹陷缺陷不同凸起缺陷没有简单单调性,缺陷位置不同,影响也有所区别,但是控制缺陷在10nm以内可以显著降低影响.该结果为光学天线加工的精度要求提供了理论依据.     

等离子体天线输入阻抗测量及分析

通过矢量网络分析仪测量了不同激励功率条件下柱形等离子体天线系统的输入阻抗随频率的变化关系,实验结果表明柱形等离子体天线输入阻抗具有明显的谐振特性.结合放电管的等效电路模型与柱形等离子体天线输入电流特性,定性分析了等离子体天线输入阻抗变化与等离子体参数之间的关系.此种测量方法有助于等离子体天线动态重构特性的研究和实现快速阻抗匹配. 关键词： 等离子体天线 输入阻抗 表面波     

温度、密度对磁化等离子体光子晶体缺陷模的影响

采用等温近似,用磁化等离子体的分段线形电流密度卷积(Piecewise Linear Current Density Recursive Convolution,PLCDRC)时域有限差分(Finite-differentce Time-domain,FDTD)算法研究了具有单一缺陷层的一维磁化等离子体光子晶体的缺陷模特性;以高斯脉冲为激励源,用算法公式计算所得的电磁波透射系数,讨论了温度和等离子体层密度对其缺陷模的影响。结果表明:改变温度和等离子体层密度可以获得不同的缺陷模。     

基于表面波的新型光子晶体分束器

通过激发光子晶体-光子晶体表面波的方法,设计出了一种由表面修饰光子晶体组成的新型复合结构。利用平面波展开法结合超原胞技术对该结构的耦合表面波色散关系进行了研究,在此基础上利用时域有限差分法对光束在该结构中的传输特性进行了数值模拟,并分析了其物理机制。研究结果表明,所提出的新型结构,对一定频率范围内的传输光,能够实现输出光的分束,此特征可以用来制作光束分束器。     

A numerical simulation of surface wave excitation in a rectangular planar-type plasma source

The principle of surface wave plasma discharge in a rectangular cavity is introduced simply based on surface plasmon polariton theory. The distribution of surface-wave electric field at the interface of the plasma-dielectric slab is investigated by using the three-dimensional finite-difference time-domain method (3D-FDTD) with different slot-antenna structures. And the experimental image of discharge with a novel slot antenna array and the simulation of the electric field with this slot antenna array are both displayed. Combined with the distribution of surface wave excitation and experimental results, the numerical simulation performed by using 3D-FDTD is shown to be a useful tool in the computer-aided antenna design for large area planar-type surface-wave plasma sources.     

基于表面波的新型光子晶体分束器

通过激发光子晶体-光子晶体表面波的方法,设计出了一种由表面修饰光子晶体组成的新型复合结构。利用平面波展开法结合超原胞技术对该结构的耦合表面波色散关系进行了研究,在此基础上利用时域有限差分法对光束在该结构中的传输特性进行了数值模拟,并分析了其物理机制。研究结果表明,所提出的新型结构,对一定频率范围内的传输光,能够实现输出光的分束,此特征可以用来制作光束分束器。     

亚波长周期性各向异性金属薄膜的等离子体共振特性

 基于各向异性模型,运用全矢量的3维时域有限差分法（FDTD）,研究了在外磁场作用下,亚波长周期性各向异性金属薄膜的表面等离子体共振机制和特性,即由周期性穿孔形成的局域波导共振和由周期性结构引起的光子晶体共振效应。研究发现:当薄膜厚度一定时,两种等离子体共振模式都会随着外磁场的增大而向短波方向移动;而当外磁场一定、薄膜变厚时,周期结构因素引起的共振传输峰向长波方向转移,波导共振传输峰向短波方向转移;通过调控外加磁场的大小或方向可控制光通过金属薄膜的增强传输效应。     

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为优化表面波放电的狭缝天线阵设计,给表面波放电装置的设计提供理论依据,对狭缝天线布局进行了理论和仿真计算分析。结果表明,宽缝辐射的电磁场比纵缝强,同相激励天线辐射的电磁场比异相激励强,更容易击穿空气产生等离子体。基于磁场强度同相分布规律对已经采用的纵缝天线阵进行改进,纵缝按照两侧交互并间隔半个波导波长布置,各个纵缝均为同相,产生等离子体效果更好。     

时域开槽天线阵列的接收特性

利用自建的时域测量系统对接收阵元数不同、相邻阵元间距不同、阵元数相同接收方向不同的开槽天线阵列接收电场进行了测试。时域天线的时域波形、归一化能量方向图、归一化峰值方向图的分析结果表明：时域天线方向性具有时变性,与观察方向和时间段有关,接收波形峰值随主接收方向偏离主轴程度的增大而减小;阵列某一面的方向图仅与该面的阵元数及相邻阵元间距有关,与其它面的阵列无关;阵列单元越多,相邻单元间距越大,方向图波束越窄。     

Analysis of radiation performances of plasma sheet antenna

A novel concept of plasma sheet antennas is presented in this paper, and the radiation performances of plasma sheet antennas are investigated in detail. Firstly, a model of planar plasma antenna (PPA) fed by a microstrip line is developed, and its reflection coefficient is computed by the JE convolution finite-difference time-domain method and compared with that of the metallic patch antenna. It is found that the design of PPA can learn from the theory of the metallic patch antenna, and the impedance matching and reconstruction of resonant frequency can be expediently realized by adjusting the parameters of plasma. Then the PPA is mounted on a metallic cylindrical surface, and the reflection coefficient of the conformal plasma antenna (CPA) is also computed. At the same time, the influence of conformal cylinder radius on the reflection coefficient is also analyzed. Finally, the radiation pattern of a CPA is given, the results show that the pattern agrees well with the one of PPA in the main radiation direction, but its side lobe level has deteriorated significantly.     

基于表面阻抗边界条件的等离子体薄涂层电磁散射的时域有限差分分析

基于表面阻抗边界条件时域有限差分(FDTD)方法研究了一维斜入射情况下非磁化等离子体薄涂层涂敷金属材料的电磁散射特性, 该方法忽略对薄层背景材料进行网格剖分, 大大减少了计算量. 首先推导了理想导体涂敷等离子体薄涂层的表面阻抗频域表达式, 然后代入边界条件并变换到时域, 再用分段线性递推卷积方法将时域表达式离散得到FDTD迭代式. 编程计算了垂直及斜入射情形下的平行极化和垂直极化反射系数, 通过验证算例与解析解对比, 结果表明该方法的准确性和有效性. 最后利用该方法分析了不同入射角对反射系数的影响.