等离子体柱在电磁辐射及散射问题中的应用研究

发布时间：2017-08-02 10:03

  本文关键词：等离子体柱在电磁辐射及散射问题中的应用研究

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【摘要】：等离子体是由正负带电粒子或离子构成的,不同种类带电粒子之间相互独立且正、负电荷总和相等,所以宏观上呈电中性。当电磁波的频率远低于等离子体频率时,等离子体便表现出类似于金属的导电特性。于是,可利用等离子体柱替代金属天线辐射电磁能量。当关闭激励源时,等离子体柱天线就变成一个介质管,可以很好地逃避敌方雷达的探测,这是等离子体天线最重要的一个特点。然而,若等离子体柱天线正在工作时被对方一定频段的雷达波扫描,它就会产生散射电磁波,所以散射是等离子体天线应该引起重视的一项参数。同时,等离子体还对某些频段的电磁波会有吸收和散射作用,因而等离子体覆盖金属柱等目标,会有助于目标的隐身。本论文针对等离子体柱在电磁辐射及散射问题中的应用进行研究。目前,针对等离子体柱天线的研究很多,但缺乏对其辐射机理的深入分析,论文对等离子体天线的辐射机理进行了研究。由于等离子体的物理特性随着馈入信号频率的变化而变化,等离子体圆柱天线有两种工作模式(导模和漏模)可产生辐射。这两种模式的截止频率可分别通过公式推导和理论分析得到。在低频段,等离子体圆柱可像金属天线那样辐射电磁能量;在高频段,等离子体柱则可用作漏波天线,其辐射远场可由Schelkunoff等效定律计算获得。从两个模式的辐射方向图可以看出,无论是导模辐射还是漏模辐射,都可以通过等离子体的参数调节来实现方向图的重构。阻抗是等离子体圆柱天线设计中的重要一环。论文通过建立电磁波在等离子体圆柱中的传播模型,分析等离子体柱天线的内阻;利用坡印廷矢量法计算辐射电阻,并进行了分析。结果表明适当地调整等离子体密度和碰撞频率,可实现内阻的减小和辐射电阻的增大,从而提高等离子体天线的辐射效率。论文还通过建立中心馈电的二元等离子体对称振子天线阵模型,再基于等效电路理论计算了等离子体密度均匀和不均匀时等离子体天线阵的互阻抗,数值结果表明等离子体柱天线阵的互阻抗取决于等离子体的参数与阵元的间距。论文对微带线馈电的平面等离子体片天线辐射特性进行仿真分析,发现调整等离子体频率可改变等离子体平面天线的回波损耗;接着将等离子体平面天线共形到圆柱面,仿真分析了共形前后等离子体天线回波损耗的变化,并对共形圆柱面半径对回波损耗的影响进行了分析,给出了等离子体柱面共形天线的辐射方向图。在此基础上,分析了金属贴片耦合寄生等离子体片天线的辐射特性,加载耦合等离子体片可有效增加金属贴片天线的带宽,等离子体频率也对带宽有影响。在等离子体天线设计中,等离子体柱的散射也是必须考虑的。论文通过建立无限长介质管束缚的等离子体方柱天线FDTD(时域有限差分)仿真模型,仿真分析了等离子体方柱天线的散射特性,发现通过合理地选择介质管的介电常数和等离子体的相关参数可有效地缩减等离子体天线的RCS(雷达散射截面)。论文还建立了偏心等离子体圆柱层覆盖金属圆柱的模型,并对其隐身性能进行了分析。通过坐标变换和柱面波函数的叠加原理,详细推导了该模型散射系数。仿真结果显示,偏心等离子体圆柱与金属圆柱间的轴间距会对RCS产生明显的影响。覆盖偏心等离子体层的目标柱的RCS会随着等离子体密度的增加而减小。相比同心等离子体层覆盖的金属柱,偏心等离子体层覆盖模型能在较宽的频段内保持更小的后向散射。总之要在一定频段内减少RCS,实现目标隐身,必须总体优化等离子体的相关参数和偏心模型的几何参数。
【关键词】：等离子体柱天线 等离子体共形天线 散射 偏心等离子体柱 隐身
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O53
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 绪论15-25
• 1.1 研究背景15-17
• 1.1.1 等离子体柱天线的原理15-17
• 1.1.2 等离子体天线的特点17
• 1.2 国内外研究现状17-22
• 1.2.1 等离子体天线技术的研究进展17-22
• 1.2.2 等离子体覆盖目标隐身技术的研究进展22
• 1.3 本文的结构安排与主要贡献22-25
• 第二章 平面电磁波在等离子体中传播25-30
• 2.1 等离子体的概念25
• 2.2 电磁波在等离子体中的传播25-29
• 2.3 本章小结29-30
• 第三章 等离子体柱天线辐射特性分析30-76
• 3.1 等离子体圆柱天线的辐射30-37
• 3.1.1 等离子体圆柱天线的导模辐射30-34
• 3.1.2 等离子体圆柱天线的漏模辐射34-37
• 3.2 等离子体圆柱天线的阻抗37-48
• 3.2.1 单级等离子体柱天线的阻抗37-44
• 3.2.1.1 单极等离子体圆柱天线内阻38-41
• 3.2.1.2 单极等离子体圆柱天线辐射电阻41-44
• 3.2.2 等离子体圆柱天线阵的互阻抗44-48
• 3.2.2.1 二元等离子体对称振子天线阵的建模44-45
• 3.2.2.2 等离子体密度均匀时的天线阵的互阻抗45-47
• 3.2.2.3 等离子体密度非均匀分布时的天线阵的互阻抗47-48
• 3.3 等离子体柱天线的可重构特性48-61
• 3.3.1 等离子体的导电特性48-49
• 3.3.2 等离子体柱天线的可重构特性49-55
• 3.3.3 等离子体柱天线阵的可重构特性55-61
• 3.4 等离子体薄片天线辐射特性分析61-71
• 3.4.1 平面等离子体片天线辐射特性61-66
• 3.4.2 等离子体共形天线的辐射特性66-68
• 3.4.3 耦合寄生等离子体片的微带天线辐射特性68-71
• 3.5 等离子体圆柱天线的噪声71-74
• 3.6 本章小结74-76
• 第四章 等离子体柱天线的散射特性分析76-96
• 4.1 等离子体圆柱天线的散射76-80
• 4.1.1 平面波入射等离子体圆柱产生散射场的一般解76-79
• 4.1.2 两种特殊情况的散射79-80
• 4.2 介质管束缚等离子体方柱天线的散射80-86
• 4.2.1 基于Z变换的FDTD公式81-82
• 4.2.2 数值结果与讨论82-86
• 4.3 两个等离子体圆柱构成的天线阵的散射86-95
• 4.3.1 二元等离子体圆柱天线阵的建模86-92
• 4.3.2 远区场近似92-93
• 4.3.3 仿真与分析93-95
• 4.4 本章小结95-96
• 第五章 等离子体覆盖目标的隐身性能分析96-110
• 5.1 等离子体覆盖平面金属的隐身性能96-102
• 5.1.1 电磁波在多层介质中的传播96-99
• 5.1.2 非均匀等离子体覆盖金属目标的反射99-102
• 5.2 偏心等离子体覆盖金属圆柱的隐身性能102-109
• 5.2.1 同心等离子体覆盖金属圆柱的散射102-104
• 5.2.2 偏心等离子体覆盖金属圆柱的散射104-109
• 5.2.2.1 偏心等离子体覆盖金属圆柱的建模104-106
• 5.2.2.2 数值结果与讨论106-109
• 5.3 本章小结109-110
• 第六章 总结与展望110-112
• 致谢112-113
• 参考文献113-124
• 攻读博士学位期间取得的成果124-125
• 附录I 面电流（面磁流）的坐标变换125-128
• 附录II贝塞尔函数的坐标平移公式128-129

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本文编号：608702