高功率微波与大气等离子体相互作用研究

研究了高功率微波持续击穿大气产生等离子体的演化过程，给出了微波干扰给定等离子体形成黑障效应的结果。     

等离子体对高功率微波的防护

提出了用等离子体防护高功率微波破坏电子设备的方法。建立了“介质层-等离子体层-介质层-等离子体层”的反射/吸收模型,其中两层均匀非磁化等离子体厚度各为50mm,等离子体频率为30GHz,等离子碰撞频率为70GHz。计算了微波的透射功率、防护结构的最小防护距离。计算结果表明：对功率10GW、脉冲宽度100ns、天线100m² (效率50%)的微波源产生的微波,频率小于30GHz时,将被防护装置反射;频率为31～80GHz时,防护结构的最小防护距离约为5km。     

高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应研究

研究高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应,对于研究等离子体防护技术具有重要意义.通过采用等离子体流体近似方法,建立等离子体中的波动方程、电子漂移-扩散方程和重物质传递方程,表征电磁波在等离子体中的传播以及等离子体内部带电粒子的变化情况,分析研究了高功率微波作用下雪崩效应的产生过程和变化规律.研究表明,入射电磁波功率决定了雪崩效应的产生;初始电子密度能够影响雪崩效应产生的时间;入射电磁波的激励作用初始表现为集聚效应,当激励能量积累到一定阈值时,雪崩效应才会产生;在雪崩效应产生过程中,等离子体内部电子密度的变化非常迅速并且比较复杂.雪崩效应产生后,等离子体内截止频率会远超过入射波频率,电磁波不能在等离子体中传播,从而起到防护高功率微波的效果.     

高功率微波窗内外表面闪络击穿流体模拟研究

建立理论模型,将电磁场时域有限差分方法与等离子体流体模型结合,编制一维电磁场与等离子流体耦合程序,数值研究了3 GHz高功率微波窗内外表面闪络击穿的不同物理过程.研究结果表明:外表面闪络击穿中,输出微波脉宽缩短(未完全截止),窗体前均方根场强呈驻波分布,波节与波腹位置不变,窗体外表面形成有一层高密(约10~(21)·m~(-3)量级)极薄(约mm量级)等离子体(扩散缓慢),入射波可部分透过该薄层等离子体,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;降低初始等离子体密度、厚度、入射波场强及缩短入射波脉宽等方式,可不同程度地改善输出脉宽缩短效应.内表面闪络击穿中,窗体前均方根场强亦出现驻波分布f但波节与波腹位置随时间变化),等离子体向波源方向运动;强释气下,输出脉宽缩短(未完全截止),形成多丝状高密(约10~(21)·m~(-3)量级)极薄(约mm量级)等离子体区域(扩散缓慢),间距1/4微波波长,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;弱释气、低场强下,脉宽缩短有所改善(但最终截止),形成多带状致密(约10~(18)·m~(-3)量级)略厚(mm-cm量级)等离子体区域(扩散较快),间距1/4波长,脉宽缩短主要源于等离子体吸收效应;弱释气、高场强下,脉宽缩短严重(很快截止),形成块状高密(约10~(21)·m~(-3)量级)较厚(约cm量级)等离子体区域(扩散迅速),脉宽缩短主要源于等离子体反射效应.     

硅二极管对高功率微波的非线性响应计算

考虑二极管内部载流子所满足的非线性、耦合、刚性方程组中可能考虑的因素,利用自得研制的半导体器件模拟程序mPND1D, 对硅二极管在高功率微波激励下的非线性特性进行了数值计算,结果显示出硅二极管对徽波信号响应的非线性。     

硅二极管对高功率微波的非线性响应计算

 考虑二极管内部载流子所满足的非线性、耦合、刚性方程组中可能考虑的因素,利用自得研制的半导体器件模拟程序mPND1D, 对硅二极管在高功率微波激励下的非线性特性进行了数值计算,结果显示出硅二极管对徽波信号响应的非线性。     

高功率微波与电子系统电路单元相互作用的理论分析

利用等离子体理论研究了电路中微波等离子体运动对电容元件的影响, 给出了 可能引起电路扰乱状态的参量条件. 当微波等离子体较稀薄时, 且微波的频率或等离子体电子的渡越时间高到一定程度时, 扰乱阈值与微波频率的平方成正比; 如果微波的频率或等离子体电子的渡越时间低到一定程度时, 其电场的特性接近直流特性, 扰乱阈值与微波频率没有明显的依赖关系. 从总体上看, 微波频率越低, 越容易扰乱集成电路的工作状态. 如果等离子体频率与高功率微波频率相接近, 则会产生共振效应, 此时等离子体电子的振荡的幅值会大幅度提高, 更容易扰乱电路的工作状态.     

一种紧凑型高功率宽带微波源

设计了一种高功率宽带微波辐射装置,谐振器采用传输线型谐振器,其中,天线采用单锥喇叭。整个宽带微波产生装置具有结构紧凑、谐振频率较低的特点。用时域有限差分对该装置进行了数值模拟,模拟结果为：辐射场中心频率272 MHz,带宽13.5%。装置与高压脉冲源联试,开关内充电电压为71 kV时,辐射场中心频率为197 MHz,辐射场带宽达到24%,峰值辐射因子为28.3 kV。     

一种紧凑型高功率宽带微波源

 设计了一种高功率宽带微波辐射装置,谐振器采用传输线型谐振器,其中,天线采用单锥喇叭。整个宽带微波产生装置具有结构紧凑、谐振频率较低的特点。用时域有限差分对该装置进行了数值模拟,模拟结果为：辐射场中心频率272 MHz,带宽13.5%。装置与高压脉冲源联试,开关内充电电压为71 kV时,辐射场中心频率为197 MHz,辐射场带宽达到24%,峰值辐射因子为28.3 kV。     

高功率微波照射下半空间上方天线罩耦合特性

利用两次傅里叶变换得到半空间界面的反射波后,将直接入射波和界面反射波两个时域脉冲源通过等效原理引入到包含目标的时域有限差分(FDTD)的计算域中。计算了高功率微波入射情形下,改变入射面、极化方式时天线罩内部观察点的能流密度的变化,并总结其规律。数值算例表明,对于贴近地面的目标来讲,半空间的反射波会给目标内部带来新的能量冲击。该方法可以用于计算目标内部耦合近场及功率密度。     

微波输出窗内表面闪络击穿3维全电磁等离子体流体模拟

通过建立电磁场等离子体流体耦合物理模型,基于自主研发的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D,编制了3维电磁场与等离子流体耦合程序模块,对1.3 GHz高功率微波窗内表面闪络击穿物理过程进行了数值模拟。研究结果表明：微波窗内侧表面形成的等离子体构型与初始种子电子分布形式密切相关。中心点源分布下,等离子体发展为蘑菇形状, 输出微波脉冲缩短并不严重,等离子体吸收微波功率大于反射微波功率;面源分布下,等离子体发展为帽子形状,输出微波脉冲缩短严重,输出微波完全截断,开始阶段等离子体吸收微波功率占优,待等离子体密度增加到一定程度后,反射微波功率占优。通过降低窗体表面场强、表面释气率及初始种子电子密度等方法,可不同程度地延长输出微波脉冲宽度。窗体表面不同气体层厚度对闪络击穿下的输出微波脉冲宽度影响不大。     

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     

铁电体移相器高功率微波应用研究

为拓展高功率微波阵列天线的波束扫描范围, 将铁电体移相器引入到高功率微波领域。分析铁电体移相器的工作原理, 并研究其应用于高功率微波领域可能遇到的问题, 利用时域有限差分法对高功率微波在铁电体材料中传播的简单模型进行分析, 研究了微波功率及偏置电场对输出波形的影响, 并进一步分析铁电体移相器应用于高功率微波领域的可行性。结果表明：在不考虑介质损耗的情形下, 选择适当的铁电体材料可以在10 cm内实现L波段180相移, 同时传输效率达到90%以上。     

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.     

高功率微波照射下半空间上方天线罩耦合特性

利用两次傅里叶变换得到半空间界面的反射波后,将直接入射波和界面反射波两个时域脉冲源通过等效原理引入到包含目标的时域有限差分（FDTD）的计算域中。计算了高功率微波入射情形下,改变入射面、极化方式时天线罩内部观察点的能流密度的变化,并总结其规律。数值算例表明,对于贴近地面的目标来讲,半空间的反射波会给目标内部带来新的能量冲击。该方法可以用于计算目标内部耦合近场及功率密度。     

等离子体中电磁波传输特性理论与实验研究

本文对35 GHz和96 GHz电磁波在等离子体中的传输特性进行了理论与实验研究, 得到了电磁波衰减随等离子体密度、碰撞频率和电磁波频率的变化规律. 等离子体密度增加一个数量级时, 电磁波衰减增加一个数量级; 随着等离子体碰撞频率的增加, 电磁波衰减先增加后减小; 随着电磁波频率的增加, 衰减下降. 以激波管为实验平台进行了电磁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吻合较好. 理论和实验结果均表明, 提高电磁波频率是解决黑障问题的有效途径.