柱形單極表面波等離子體天線控制模型研究
由氣體分子動力學(xué)及波爾茲曼方程建立了基于柱形單極表面波等離子天線結(jié)構(gòu)的控制模型,通過推導(dǎo)和計算得出了一系列模型方程。通過與實驗數(shù)據(jù)的分析對比,發(fā)現(xiàn)在一定條件下模型數(shù)據(jù)與實驗測試結(jié)果吻合良好。模型可用于等離子體天線參數(shù)控制、預(yù)測以及等離子天線的參數(shù)重構(gòu)控制。
表面波是產(chǎn)生等離子體的一種簡單有效的途徑。采用電容或電感耦合的方法, 由表面波可生成高濃度、低噪聲的表面波等離子體。由于電磁波不能穿透等離子體且趨膚深度較小, 等離子柱導(dǎo)電性能與金屬類似, 電磁波可沿等離子體表面?zhèn)鞑? 因此可將等離子體柱用作天線[1-5] 。等離子體天線具有噪聲低、性能與金屬天線接近、參數(shù)重構(gòu)能力強、天線陣列設(shè)計簡單等優(yōu)點, 適用于復(fù)雜電磁環(huán)境。趙國偉等[6-10] 對等離子體天線色散關(guān)系和輻射場數(shù)值、射頻激勵等離子體非線性效應(yīng)進行了相關(guān)研究, 李圣等[11] 對表面波等離子天線物理特性進行了理論分析, 陳宗勝等[12] 研究了表面波等離子體天線的柱狀等離子體源參數(shù)特性, 楊蘭蘭等[13] 研究了等離子體天線中波的色散關(guān)系, 曹立輝等[14] 對等離子體天線輻射特性作了相關(guān)研究。綜合以上研究, 外部激勵能量對等離子體影響作用巨大, 直接決定天線的性能�？刂仆獠繀�(shù)如裝置的尺寸、放電氣壓、放電功率、射頻源頻率以及放電線圈的設(shè)計可對等離子體天線的相關(guān)參數(shù)進行控制。
基于氣體動力學(xué)理論、波爾茲曼方程和柱形單極表面波等離子天線的物理結(jié)構(gòu), 建立等離子天線參數(shù)控制模型, 反映天線狀態(tài)與外部控制能量的相互關(guān)系, 能為等離子天線參數(shù)重構(gòu)提供相應(yīng)的理論分析依據(jù)。
國外對于等離子天線模型已一定的研究[15-18], 文獻[17] 提出一種電場放電的等離子天線的模型, 但從現(xiàn)有的文獻看基于等離子天線放電結(jié)構(gòu)的模型還沒有建立, 現(xiàn)有等離子天線模型缺乏深入的理論研究和推導(dǎo)。
等離子天線的參數(shù)重構(gòu)研究是等離子天線走向?qū)嶋H運用的一個重要內(nèi)容。從粒子運動微觀層面進行建模分析、計算, 能得到近似度較高的結(jié)果。實驗證明, 建立的模型具有較好的精度, 一定條件下, 適用于等離子體天線參數(shù)控制。
關(guān)鍵詞： 等離子天線;單極柱形;表面波;控制模型;研究
Abstract: The control of the cylindrical monopole plasma antenna excited by the surface wave,and the structure of the plasma antenna were modeled,formulated,and evaluated on the basis of gas molecular dynamics and Boltzmann equation.Various factors,such as the impacts of the power of the external excitation on the distributions of the magnetic field and current density,electron energy and power density around the antenna,as well as the dielectric constant,conductivity and emission properties on its surface were calculated.The calculated results including the distributions of the current density and electric field of the plasma antenna,agree fairly well with those of the experiment under certain conditions.We suggest that the recently developed model be capable of controlling and predicting the characteristics,and realizing the reconfigurable control of the plasma antenna.
Keywords: Plasma antenna,Cylindrical monopole,Surface wave,Control model,Research
基金項目: 軍隊科研重點項目
參考文獻：
[1]王世慶,向茜,柳建.表面波等離子體柱導(dǎo)電性及其激發(fā)系統(tǒng)方案[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報,2009,27(4):392-
[2]劉良濤,祝大軍,劉盛剛.離子體天線的原理與設(shè)計[J].雷達與對抗,2004,(4):26-30
[3]袁忠才,時家明,余桂芳.表面波激勵等離子體天線的原理與實現(xiàn)[J].電子信急對抗技術(shù),2006,21:38-42
[4]張,李紅波,劉國強.等離子體天線的基本特性研究[J].信氣息工程大學(xué)學(xué)報,2006,9(7):241-243
[5]鄢澤林,王世慶,酈文忠,等.介質(zhì)管內(nèi)等離子體表面波傳播特性研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2008,28(4):313-317
[6]位朝壘,工世慶,邸澤林,等.表面波等離子體天線的能量衰減系數(shù)研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2009,29(3):251-254
[7]趙國偉,徐躍民,陳誠.等離子體色散關(guān)系和輻射場數(shù)值計算[J].物理學(xué)報,2007,(9):74-78
[8]趙國偉,王之江,徐躍民.射頻激勵等離子體非線性效應(yīng)的FDTD數(shù)值模擬[J].物理學(xué)報,2007,(9):32-36
[9]趙國偉,陳誠,徐躍民.柱形等離子體輻射場的數(shù)值計算和分析[J].空間科學(xué)學(xué)報,2005,25(2):91-97
[10]趙國偉,徐躍民,陳誠.柱形等離子體輻射場和阻抗的數(shù)值計算[J].物理學(xué)報,2005,55(7):3458-3463
[11]李圣.表面波等離子天線物理特性的理論分析[J].南華大學(xué)學(xué)報,2007,21(2):37-40
[12]陳宗勝,時家明,王甲寅,等.表面波等離子體天線的柱狀等離子體源參數(shù)研究[J].真空電子技術(shù),2008,(2):18-21
[13]楊蘭蘭,屠彥,王保平.離子體天線中波的色散關(guān)系的研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2004,24(6):424-427
[14]曹立輝,鄭龍根,張志剛,等.等離子體天線輻射特性研究[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報,2009,21(2):47-51
[15]ilinskij A P,Sacharov I E,Golant V E.Fundamentals Plas-ma Physics[J],MIR,Moscow,1983
[16]Kortshagen U,Busch C,Tsendin L D.On Simplifying Ap-proach to the Solution of the Boltzmann Equation in SpatiallyInhomogeneous Plasma[J].Plasma Sources Sci Technol,1996,(5):1-17
[17]Rayner J P,Whichello A P,Cheetham A D.Physical Charac-teristics of Plasma Antennas[C].IEEE Trans on Plasma Sci-ence,2004,32:269-281
[18]Cerri G,Moglie F,Montesi R,et al.FDTD Solution of theMaxwell-Boltzmann System for Electromagnetic Wave Propa-Gation in a Plasma[J].IEEE Trans on AP,2008,56:2584-2588
