电磁波与均匀非磁化等离子体的相互作用-课件.ppt

1、关于等离子体隐形技术的浅析宣读人：张磊 PB01009032一、引言一、引言 所谓等离子体的隐形技术，就是通过电磁波与等离子体的相互作用，利用等离子体对电磁波的反射、折射、吸收、变频等，将电磁波能量衰减，改变电磁波的传播相角，乃至是电磁波产生绕射，从而达到隐形效果。本文在理论上从等离子体对电磁波功率的吸收作用方面进行探讨、分析。所取的电磁波频段为现役雷达的频率范围（0.510GHz），等离子体中的电子与中性气体的碰撞频率为0.1GHz10GHz。参考书目:1、等离子体物理学导论 FFCHEN 中国科学技术大学(四系教材)2、电磁波在等离子体中的传播 苏:BJI金兹堡 科学出版社 3、等离子体物

2、理原理 马腾才、胡希伟、陈银华著 中国科学技术大学出版社1988 4、电磁场与电磁波 谢处方、饶克谨著 高等教育出版社1999.6月第二版 5、电磁波与等离子体的相互作用 孙爱萍、李丽琼、邱孝明、董玉英著 6、电磁场、电磁能和电磁波 美:LM玛奇德著 高等教育出版社1882.12月第一版 7、未来制造业和加工也中的等离子体 邱孝明 (3)(2)(1)二、电磁波与均匀非磁化等离子体的相互作用电磁波与均匀非磁化等离子体的相互作用 1基本理论 首先给出电磁波在均匀非磁化等离子体中的麦克斯韦方程组)4()3(0)2()1(000tDHHBBtBEEDDr220000)()()(tEtDttHtBtBE

3、r对方程组中式（2）求旋度，并利用式（4）得：利用矢量分析式，并考虑0 E0EEEEE22)()(，得 可得到电磁波在均匀非磁化等离子体中的传播方程)5(2202tEro由于 电 磁 波 的一般解 都可以用平面波分量的傅立叶积分来展开，这里仅以平面电磁波与等离子体的相互作用为例，假设电磁波沿X轴正向传播，则：)6(1exp0jxrtjEE 式中 为电磁波的角频率；为传播常数，有式（5）和式（6）可解出电磁波在均匀非磁化等离子体中的色散关系为：r）（为光速722ccrr由传播常数)8(jcjrr得：)10()9(rermRcIc上式中 为衰减系数；为相位常数。下面分析等离子体的介电常数 ：r 由

4、于在等离子体中，中性气体的密度远大于等离子体密度，因此可以忽略电子与离子的碰撞，另外离子的质量远大于电子的质量，可以忽略其运动，仅考虑电子的运动。对于一团电子气来说，电子的移动相当于产生一个极化强度 ，它等于单位体积中的电偶极矩：P)11(EnerP 式中 为电极化率，现在要求 和 的关系，故引用郎之万方程：(为电子与中性气体的碰撞频率）r r rrE)12(eErmrmenee enitr为电磁波频率)13(2Emerjreen)14()Ejmerene得将式（14）代入式（11）得)15()(2enejmne而有等离子体频率：epmne224)16(41r)17(/1222222enenp

5、enprj 假设电磁波在真空中的传播功率为 经真空与等离子体界面进入到等离子体内的功率为 ，被界面反射的功率为 。由于均匀等离子体的密度不变，对于一定频率的入射波，介电常数不变，因此在等离子体内部不存在反射。电磁波在交界面上的反射功率满足下式：0PiPrP)18(1120rrrPP通过界面进入等离子体介质内的电磁波功率为：)19(0riPPP传播到任一位置 的波的功率为：x)20(2exp)(xPxPi假设等离子体厚度为 ，则电磁波经等离子体衰变后在 处透射出去的功率：ddx)21(2expdPPit因此电磁波被等离子体吸收的功率为：)22(0traPPPP计算参数：电磁波频率在现役雷达工作频

6、段中取值();等离子体密度取 ，即 ;碰撞频率取 ;等离子体厚度取GHzfm0.8,0.7,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,5.031131010,10cmcmneGHzfp8.2,9.0 GHzfen0.10,0.5,0.1,5.0,1.0cmd10void math()int i,j,k;float a,b,x,y,af,t,Pr,Pt,Pa;for(i=0;i2;i+)for(k=0;k5;k+)for(j=0;j9;j+)a=1-fpi*fpi/(fmj*fmj+fek*fek);b=fpi*fpi*fek/fmj/(fmj*fmj+fek*fek);x=sqrt(sq

7、rt(a*a+b*b)+a)/2);y=b/2/x;af=y*fmj*2*3.1415726*10/3;t=1/exp(2*af*0.1);Pr=(1-x)*(1-x)+y*y)/(1+x)*(1+x)+y*y);Pt=(1-Pr)*t;Pa=1-Pr-Pt;printf(fp=%-15f fe=%-15f fm=%fn,fpi,fek,fmj);printf(E=%-10f+%10fi saqt(E)=%-10f+%-10fi Af=%-10f n,a,b,x,y,af);printf(Pr/Po=%-15f Pt/Po=%-15f Pa/Po=%-15f,Pr,Pt,Pa);printf(

8、n);return;Pa/Pofp=0.9GHz时电磁波的吸收图fmPa/Pofp=2.8GHz时电磁波吸收图fm 分析分析1.当电磁波频率接近等离子体频率时，吸收频率趋于峰值，这是因为电磁波与等离子体发生共振，电磁波加强了等离子体电子的振荡，电子吸收了较多的电磁波能量。2.当电磁波频率、等离子体频率和碰撞频率都接近时（图一的fen=0.5、1.0GHz和图二的fen=1.0、5.0GHz曲线的峰值点），吸收功率存在较大的峰值。这是因为两种共振（电子振荡和碰撞）同时发生，吸收的电磁波能量最多。3.吸收功率随等离子体密度的增大而增大，这是由于等离子体密度越大，参与碰撞的电子越多，吸收的电磁波也就

9、越多。4.当 ，即fp=2.8GHz时，且碰撞频率较高时（fen=5.0、10.0GHz，尤其fen=5.0GHz），吸收功率在这个雷达范围内都比较大，吸收比例最高可达90%以上，很理想。5.此外，可以发现：反射频率随等离子体密度的增大而增大，随电磁波频率的升高而减少，随碰撞频率的升高而减少；透射频率则随等离子体的增大而减少，随电磁波频率的升高而增大。31110 cmn 结论结论:当等离子体密度比较大时，电子与中性气体的碰撞频率比较大时,可以有很好的隐形效果，最高可超过90%。参考书目:1、等离子体物理学导论 FFCHEN 中国科学技术大学(四系教材)2、电磁波在等离子体中的传播 苏:BJI金兹堡 科学出版社 3、等离子体物理原理 马腾才、胡希伟、陈银华著 中国科学技术大学出版社1988 4、电磁场与电磁波 谢处方、饶克谨著 高等教育出版社1999.6月第二版 5、电磁波与等离子体的相互作用 孙爱萍、李丽琼、邱孝明、董玉英著 6、电磁场、电磁能和电磁波 美:LM玛奇德著 高等教育出版社1882.12月第一版 7、未来制造业和加工也中的等离子体 邱孝明