等离子鞘套下电磁波极化特性及天线辐射特性研究

发布时间：2017-08-18 18:08

  本文关键词：等离子鞘套下电磁波极化特性及天线辐射特性研究

  更多相关文章： 等离子鞘套 电磁波传播 极化特性 天线特性

【摘要】：伴随着人类对地球外层空间不间断地探索,再入返回式飞行器作为开发空间的重要载体得到了迅速的发展。但是,当再入飞行器以10~25马赫的超高声速进入稠密大气层之中飞行时,飞行器巨大的动能不断地转化为热能,使飞行器驻点区防热材料和空气分子发生电离,形成一层包裹着飞行器的高温等离子体激波流体,对飞行器测控通信电磁信号产生类似金属鞘套的屏蔽效应,严重影响飞行器的信息传输,甚至会造成导航、数传、遥测、遥控和安控等信号传输的中断,使得飞行器与外界失去无线电联系,产生“黑障”现象,极大地危胁了飞行器的飞行安全。“黑障”现象的本质是再入等离子鞘套使得电磁信号的发射和传输发生了阻碍和畸变,对电磁波传播特性和飞行器天线特性产生了巨大的影响。由于飞行轨迹存在一定的攻角以及飞行器的滚转运动,使得飞行器与地面测控站之间,以及飞行器与导航卫星之间建立的通信链路通常会位于飞行器天线的斜视方向上,导致飞行器天线发射和接收的信号通常会以某个角度斜入射穿过等离子鞘套。同时,等离子鞘套具有空间非均匀、频率色散等特性,且再入全程中参数跨度3到4个数量级,导致等离子鞘套下电磁波传播特性和天线特性与常规介质下的特性有较大差距。本文在研究实际再入等离子鞘套基本物理特性的基础上,研究了不同极化电磁波以任意角度入射等离子鞘套的透射幅频特性,研究了等离子鞘套对任意角度入射电磁波的去极化效应,以及与接收天线之间的极化失配损失,对再入全程中不同高度时天线的阻抗、不同方向角的功率辐射以及极化特性进行了全面的研究,最后提出了两种降低反射损耗的等离子体适应性方法。本文的主要创新点及贡献包括:1、提出了不同极化电磁波以任意角度入射等离子鞘套的等效传输线计算方法,揭示了入射角对于不同极化电磁波透射特性的影响规律。基于斯涅耳定理,深入分析了等离子鞘套内非均匀平面折射波的等相位面和等振幅面的传播特性,并对其中的相位计算进行了修正。采用双高斯分布的等离子鞘套模型,计算了不同极化电磁波以不同角度入射等离子鞘套的透射幅频特性曲线,给出了等离子体电子密度、碰撞频率、电磁波频率、入射角与电磁波透射特性之间的关系。2、基于电磁波极化分解与合成理论,提出了等离子鞘套下电磁波的极化特性理论,并建立了电磁波穿过等离子鞘套后与接收天线的极化失配模型。对目前测控导航常用的L、S、C、Ka频段电磁波进行研究,获得以上各频段电磁波以不同角度穿过等离子鞘套后的极化特性,以及与接收天线之间的极化失配损失,给出了等离子体参数和入射角度对电磁波极化特性和极化失配损失的影响规律,发现了电磁波从右旋变化为左旋的极化反转现象。计算结果表明:当电磁波入射角越大、碰撞频率越小、峰值电子密度对应的特征频率与电磁波频率越接近时,电磁波去极化效应越严重,电磁波接收极化失配损失越严重。3、建立了能够模拟再入等离子鞘套非均匀分布特性的等离子体分层模型,提出了具有频率色散和高损耗特性的等离子鞘套覆盖下天线特性计算方法,对典型再入全程中等离子鞘套覆盖下GPS导航、S波段、C波段以及Ka波段测控天线的阻抗特性、工作频点偏移、空域辐射功率特性和极化特性进行了计算。计算结果表明:再入全程中天线与馈电系统之间出现明显的失配现象,天线阻抗在Smith圆图上逆时针方向旋转,经历了在电容性和电感性电抗之间大幅度的变化过程,同时天线谐振频点偏移问题也经历了先向低频方向偏移,后向高频方向偏移的变化过程。再入全程中天线极化特性出现明显的恶化,在某些高度时天线极化特性甚至出现了从右旋向左旋的变化。天线增益方向图在前向方向角出现明显畸变,天线的辐射性能急剧下降,根据各频段测控天线功率辐射方向图的衰减结果,预测了各测控导航频段进出黑障的高度,与NASA报告中给出的实测数据相吻合。4、基于阻抗匹配的理论,提出了两种降低反射损耗的等离子体适应性方法。针对天线阻抗失配问题,提出了一种不会干扰接收机的“双邻频点”天线阻抗测量方法,在此基础上研究了等离子体下天线“双邻频点”阻抗自适应补偿方法。针对等离子体对电磁波的反射损耗问题,提出了一种利用电磁超材料降低电磁波反射损耗的匹配方法。经过仿真验证这两种方法具有一定的可行性,同时这两种等离子体适应性方法方法可以结合使用,既增大馈电系统输出给天线的功率,又降低了有等离子鞘套反射回来的信号,同时有利于保护飞行器天线和发射机。综上所述,本文的研究成果能够更加细致的分析再入电磁问题,可为再入电磁系统的设计提供一些参考数据,并且对于深入研究等离子鞘套对飞行器测控通信系统的影响机理,探索减缓“黑障”问题具有重要意义。
【关键词】：等离子鞘套 电磁波传播 极化特性 天线特性
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V443.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 符号对照表14-16
• 缩略语对照表16-20
• 第一章 绪论20-30
• 1.1 研究背景20-23
• 1.2 国内外相关研究进展概况23-27
• 1.2.1 等离子体中电磁波传播特性23-25
• 1.2.2 等离子体下电磁波极化特性25-26
• 1.2.3 等离子体下天线特性及补偿研究26-27
• 1.3 论文内容安排27-30
• 第二章 等离子体中电磁波传播理论基础30-44
• 2.1 引言30
• 2.2 再入等离子鞘套研究基础30-37
• 2.2.1 再入等离子鞘套的基本概念30-31
• 2.2.2 再入等离子鞘套的基本参数31-33
• 2.2.3 再入等离子鞘套的分布特性33-37
• 2.3 再入等离子体中电磁波传播理论37-42
• 2.3.1 等离子体物理模型37-38
• 2.3.2 等离子体介质特性38-39
• 2.3.3 均匀等离子体中电磁波传播特性39-41
• 2.3.4 非均匀等离子鞘套中电波传播的计算方法41-42
• 2.4 小结42-44
• 第三章 不同极化电磁波斜入射等离子鞘套的传播特性44-68
• 3.1 引言44
• 3.2 线极化波以不同角度入射非均匀等离子鞘套的传播特性44-57
• 3.2.1 等离子鞘套内折射波的传播特性44-46
• 3.2.2 线极化波斜入射等离子鞘套的等效传输线计算方法46-48
• 3.2.3 算法验证48-51
• 3.2.4 平行极化波以不同角度入射再入等离子体的透射特性51-54
• 3.2.5 垂直极化波以不同角度入射再入等离子体的透射特性54-57
• 3.3 圆极化波以不同角度入射等离子鞘套的传播特性57-63
• 3.3.1 右旋圆极化波斜入射等离子鞘套的计算方法57-59
• 3.3.2 左旋圆极化波斜入射等离子鞘套的计算方法59-60
• 3.3.3 圆极化波以不同角度入射再入等离子体的透射特性计算60-63
• 3.4 典型再入全程中不同极化电磁波的透射特性63-65
• 3.4.1 典型再入全程中线极化波的透射特性63-64
• 3.4.2 典型再入全程中圆极化波的透射特性64-65
• 3.5 讨论与小结65-68
• 第四章 等离子鞘套下电磁波极化理论及极化失配损耗研究68-88
• 4.1 引言68
• 4.2 再入等离子鞘套下电磁波的极化理论68-81
• 4.2.1 再入等离子鞘套下线极化波的极化特性69-70
• 4.2.2 再入等离子鞘套下圆极化波的极化特性70-72
• 4.2.3 再入等离子鞘套下不同频段电磁波极化特性的计算72-81
• 4.3 再入等离子体下电磁波接收的极化失配损耗81-87
• 4.3.1 等离子体下电磁波接收的极化失配模型81-83
• 4.3.2 等离子体下电磁波与接收天线的极化失配损失计算83-87
• 4.4 讨论与小结87-88
• 第五章 再入等离子鞘套覆盖下不同频段天线特性研究88-106
• 5.1 引言88
• 5.2 再入等离子鞘套覆盖下天线的计算方法88-92
• 5.2.1 基于有限积分算法的天线分析方法88-90
• 5.2.2 非均匀等离子鞘套分层结构模型90-92
• 5.2.3 等离子鞘套覆盖下天线特性计算模型92
• 5.3 典型再入全程中不同频段天线特性研究92-104
• 5.3.1 阻抗特性与工作频点偏移92-99
• 5.3.2 空域辐射功率特性99-102
• 5.3.3 空域辐射极化特性102-104
• 5.4 讨论与小结104-106
• 第六章 基于阻抗匹配的等离子体反射损耗降低方法106-120
• 6.1 引言106
• 6.2 基于双邻频点的天线阻抗自适应补偿技术106-112
• 6.2.1 等离子体下导航天线双邻频点自适应补偿方法106-107
• 6.2.2 等离子体下导航天线双邻频点阻抗测量方法107-108
• 6.2.3 等离子体下导航天线双邻频点阻抗测量方法仿真验证108-110
• 6.2.4 等离子体下导航天线双邻频点补偿方法仿真验证110-112
• 6.3 基于波阻抗匹配降低等离子鞘套电波反射损耗的研究112-118
• 6.3.1 基于电磁超材料的波阻抗匹配原理112-114
• 6.3.2 多层电磁超材料特性的构造114-115
• 6.3.3 多层电磁超材料参数优化选取115-116
• 6.3.4 多层电磁超材料特性的增透特性仿真116-118
• 6.4 讨论与小结118-120
• 第七章 结论和展望120-122
• 7.1 研究结论120-121
• 7.2 存在的问题与研究展望121-122
• 参考文献122-130
• 致谢130-132
• 作者简介132-134

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 望威;;电磁波对人体有危害吗?(下)[J];电子制作;2003年08期

2 董子良;肖伟成;;关于电磁波的探讨[J];中国新技术新产品;2011年05期

3 张起晶;孙桂芝;边莉;;电磁场与电磁波课程教学改革研究[J];黑龙江教育(高教研究与评估);2011年10期

4 毛雷鸣;;提高“电磁场与电磁波”课堂教学效果的实践研究[J];中国科技信息;2012年21期

5 田瑞;;电磁场与电磁波教改理论的尝试[J];科技创新与应用;2012年34期

6 李长胜;林志立;冯丽爽;;“电磁场与电磁波”课程内容的修改建议[J];电气电子教学学报;2012年06期

7 肖汉光;;《电磁场与电磁波》的课程教学研究与探索[J];教育教学论坛;2013年13期

8 郑强;杨日杰;;电磁波在海水中的传播特性研究[J];电声技术;2013年02期

9 李莉;滕宝华;雷雨;;电磁波在有缺陷介质中的传播特性[J];物理与工程;2013年01期

10 嵇震宇;徐燕侯;陈宝彦;;外加恒稳磁场对再入等离子鞘套中电磁波传播特性的影响[J];安徽工学院学报;1985年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 陈将伟;孙敏;;界面电流对电磁波传播性质的可能影响[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第3分册）[C];2010年

2 武桦;贾怀义;;空圆隧道中高频电磁波传播特性[A];2005'中国通信学会无线及移动通信委员会学术年会论文集[C];2005年

3 扈罗全;朱洪波;;电磁波传播的概率模型:二维无耗传播情形[A];2006通信理论与技术新进展——第十一届全国青年通信学术会议论文集[C];2006年

4 刘爽;;电磁波的发射和接收[A];河北省教师教育学会第二届中小学教师教学案例展论文集[C];2013年

5 田子建;;《矿井电磁波传播与分析》课程主要教学内容探讨[A];煤矿自动化与信息化——第20届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨第2届中国煤矿信息化与自动化高层论坛论文集[C];2010年

6 孙超;王红霞;傅关新;李磐石;孙振;;电磁波在雨中的传输衰减特性研究[A];国家安全地球物理丛书（七）——地球物理与核探测[C];2011年

7 孙贤明;王海华;刘万强;;“电磁场与电磁波”课程教学研究[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年

8 吴鑫;;九江5.7级地震电磁波异常传播路径初探[A];中国地震学会成立三十年学术研讨会论文摘要集[C];2009年

9 葛广顶;王秉中;;时间反演电磁波的传播特性及其应用[A];2009年全国微波毫米波会议论文集（下册）[C];2009年

10 吴鑫;陈鹏;朱曲杰;李瑞丽;徐焕锰;;2000年7月16日台湾兰屿6.6级地震电磁波传播路径初探[A];中国地球物理2010——中国地球物理学会第二十六届年会、中国地震学会第十三次学术大会论文集[C];2010年

中国重要报纸全文数据库 前4条

1 本报驻法国记者 李钊;它时刻跟着你,你怕吗![N];科技日报;2009年

2 新疆 赵振强;电磁波常识ABC[N];电子报;2004年

3 张开逊;回望人类发明之路[N];大众科技报;2004年

4 王荣梓;对“电子—电磁场波双锥螺旋结构”的探索[N];科技日报;2008年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 张林;圆柱形等离子体与电磁波的相互作用[D];北京理工大学;2016年

2 刘东林;等离子鞘套下的低频传播特性与正交电磁二维场抑制方法研究[D];西安电子科技大学;2016年

3 白博文;等离子鞘套下电磁波极化特性及天线辐射特性研究[D];西安电子科技大学;2015年

4 弓树宏;电磁波在对流层中传输与散射若干问题研究[D];西安电子科技大学;2008年

5 冷毅;旋转环境下电磁波传播及其在胎压监测中的应用[D];华中科技大学;2008年

6 李虎;复杂介质随钻方位电磁波测井数值模拟与应用基础研究[D];中国石油大学（华东）;2013年

7 姚善化;复杂矿井巷道中电磁波传播特性及相关技术研究[D];安徽大学;2010年

8 臧小飞;基于单向性效应和变换光学的电磁波调控研究[D];上海交通大学;2012年

9 张姝;电磁波在非均匀大气等离子体中的传播低气压电容耦合等离子体的实验研究[D];华中科技大学;2007年

10 王毅;极低频电磁波时域方法的理论研究及其应用[D];南京航空航天大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 王有林;介质带电对电磁波衰减及交叉去极化实验研究[D];兰州大学;2015年

2 刘增明;基于OSG的战场视景仿真研究[D];电子科技大学;2014年

3 谷卓;等离子体对电磁波衰减的优化模拟研究[D];大连理工大学;2015年

4 赵弘远;基于人工电磁材料的宽带电磁波完美吸收理论和设计[D];南京大学;2015年

5 丁腾欢;等离子体对电磁波的反射作用及应用分析[D];西安电子科技大学;2014年

6 宋黎浩;等离子体对电磁波吸收及反射的研究及应用[D];西安电子科技大学;2014年

7 孙楠;损耗媒质内部及界面电磁波传播特性研究[D];南京邮电大学;2015年

8 贾雨龙;基于TLM法的应急透地无线信道的研究[D];太原理工大学;2016年

9 王桂珍;各向异性人工电磁超表面在极化调控中的应用[D];东南大学;2015年

10 翟焱望;电磁波在含时磁电介质中的传播[D];北京理工大学;2016年

，

本文编号：695978