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基于交叉电磁场的等离子体电磁波传播特性研究

2020-12-08阅读(177)

基于交叉电磁场的等离子体电磁波传播特性研究

论文摘要

高速飞行器的再入过程中,由于激波压缩和摩擦高温在其表面上产生等离子体,并附着在飞行器表面,被称为等离子体鞘。等离子体鞘是高速飞行器再入大气层过程中引起通信黑障的主要因素之一。保持良好的通信环境是飞行器安全返回陆地的重要条件,因此通信黑障成为空天飞行器研究必须要解决的一个难题。本文基于交叉电磁场的方法,研究电磁波在等离子体中的传播特性,为解决通信黑障问题提供理论支持和实验指导。本文的主要研究工作如下:（1）探讨了等离子体的特性参数以及电磁波在等离子体层传播的产生的现象和造成电磁波传播失效的原因。（2）基于Matlab数值仿真,研究不同电磁波频段,不同等离子体参数包括等离子频率、温度、压强和碰撞频率等对电磁波传播衰减的影响。基于RAMC飞行试验,从等离子体中电磁波的传播特性出发,研究分析了0-30GHz频段内电磁波的吸收系数、反射系数、透射系数及衰减系数。此外,讨论了等离子体中等离子体密度和碰撞频率对电磁波传播特性的影响。研究结果表明降低等离子体密度有利于电磁波的传播,当电磁波频率小于等离子体频率时,碰撞频率对电磁波的传播起帮助作用;当电磁波频率大于等离子体频率时,碰撞频率对电磁波的传播起阻碍作用。与电子密度呈均匀分布、指数分布及正态分布相比,电磁波在呈抛物线分布的等离子体中传输损耗最小。（3）建立了外加磁窗模型,研究了在外加磁场作用下,不同极化的电磁波在等离子体层的传播衰减特性,并利用CST仿真软件,基于Drude模型模拟等离子体,仿真验证研究了电磁波在等离子体中的传播特性。研究表明外加磁场可明显降低圆极化电磁波衰减,且同等条件下右旋极化比左旋极化电磁波的衰减更小,为了获得较小的电磁波衰减,右旋极化电磁波所需的磁场强度也小于左旋极化。（4）讨论了各种等离子体生成技术,并设计了一种采用辉光放电的新型等离子体发生器。仿真表明,其能够产生大面积,长持续时间,连续密度可控和无电极屏蔽的等离子体,为开展等离子体中电磁波传播实验提供了基础。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 国内外总体进展情况
  •     1.2.2 外加磁场法缓解黑障总体研究现状
  •   1.3 论文的主要研究工作及内容安排
  • 第二章 等离子体理论
  •   2.1 引言
  •   2.2 等离子体的基本特性
  •     2.2.1 等离子体频率
  •     2.2.2 等离子体温度
  •     2.2.3 等离子体碰撞频率
  •     2.2.4 等离子体回旋频率
  •     2.2.5 等离子体的媒质特性
  •   2.3 等离子体对电磁波的影响
  •     2.3.1 多普勒效应
  •     2.3.2 电磁波在等离子体中的时延和色散
  •     2.3.3 电磁波在等离子体中的反射、透射和吸收效应
  •   2.4 等离子体的产生方法
  •     2.4.1 等离子体产生方法概述
  •     2.4.2 辉光放电
  •     2.4.3 等离子体诊断的原理与方法
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 等离子体中电磁波传播特性仿真
  •   3.1 引言
  •   3.2 等离子体电磁波衰减特性研究
  •     3.2.1 电磁波频率对衰减的影响
  •     3.2.2 等离子体温度、压强对电磁波衰减的影响
  •     3.2.3 等离子体中碰撞频率对电磁波传播的影响
  •   3.3 不同碰撞频率的吸收系数、反射系数和透射系数
  •   3.4 等离子体电子密度分布的影响
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 交叉电磁场对等离子体电磁波传播影响
  •   4.1 静磁场对等离子体中电磁波的影响
  •     4.1.1 磁窗模型建立
  •     4.1.2 外加磁场对等离子体密度影响
  •     4.1.3 极化方向对电磁波传播衰减的影响
  •   4.2 交叉电磁场对等离子体中电磁波的影响
  •     4.2.1 等离子体中电磁波传播的仿真验证
  •     4.2.2 外加电磁场等离子体中电磁波传播的仿真验证
  •   4.3 本章小结
  • 第五章 等离子体模拟仿真与实验设计
  •   5.1 引言
  •   5.2 等离子体验证实验设计
  •   5.3 等离子体模型的仿真
  •     5.3.1 几何模型的建立及参数定义
  •     5.3.2 放电模块的设置
  •     5.3.3 COMSOL仿真结果分析
  •   5.4 等离子体发生器设计
  •   5.5 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  •   6.1 论文总结
  •   6.2 工作展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻硕期间取得的研究成果

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 潘昱融

    导师: 周勇,胡宁

    关键词: 等离子体,通信黑障,电磁波传播,交叉电磁场

    来源: 南京信息工程大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

    专业: 物理学,航空航天科学与工程,航空航天科学与工程,无线电电子学

    单位: 南京信息工程大学

    分类号: TN011;V556;V419

    DOI: 10.27248/d.cnki.gnjqc.2019.000463

    总页数: 73

    文件大小: 3117K

    下载量: 51

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