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

发布时间：2017-12-02 04:32

  本文关键词：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

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【摘要】：高速飞行器在高空稀薄的大气层内高速飞行时,产生的等离子鞘套会对导航、遥控遥测、安控等电磁波信号产生严重的衰减,甚至产生通信中断。本文针对这一问题,研究了低频电磁波在等离子鞘套下的传播特性,重点分析了由飞行器上发射出的电磁波经过等离子鞘套的近场衰减机理、由地面发射出的电磁波在飞行器等离子鞘套环境下的远场衰减机理,提出了相应的理论计算模型,计算了不同等离子体条件下的电磁波衰减特性,并设计实验分别进行了验证。针对电子密度与碰撞频率比值较高时电磁波衰减较大的情况,研究利用正交电磁二维场降低电子密度方法的机理,建立了理论仿真模型,通过数值模拟给出了在不同条件下的电子密度削弱效果。本文研究将为在等离子鞘套下实现通信提供理论基础和方法支撑,为利用正交电磁二维场降低电子密度、改善通信环境提供理论方法和应用评估。主要研究内容如下:1、研究了低频电磁波在近场区域内与等离子鞘套的作用机理,提出了基于电磁屏蔽理论的近场区域内低频电磁波穿透均匀等离子体的衰减计算模型以及基于平面波谱展开法的近场区域内低频电磁波穿透非均匀等离子体的衰减计算模型,基于以上模型研究了在不同电子密度、碰撞频率、电磁波频率及不同电子密度分布下的电磁波衰减特性规律,进行了仿真计算,给出了近场区域内电磁波衰减与等离子体参数之间的关系。2、利用低频电源激励的低气压辉光放电等离子体开展了近场区域下低频电磁波穿透均匀等离子体的实验,实验结果与理论计算结果吻合,验证了近场区域内低频电磁波衰减计算模型的有效性。为加强实验结果的可靠性,研究了低频辉光放电干扰静电探针的相关机理,并对探针系统进行了改进与测试,实验结果表明,改进后的静电探针与微波法测量得出的电子密度相比误差降低至了30%以下。3、当飞行器接收地面发射的低频电磁信号时,由于等离子鞘套尺寸远小于低频电磁波的波长,因此本文将等离子鞘套简化为均匀分布的等离子体球壳,提出了电小尺寸等离子体球壳覆盖下低频电磁波电、磁场分量衰减计算的等效电路模型,研究了等离子体覆盖下低频电磁波的电场、磁场分量衰减机理,利用等效电路模型计算了不同等离子体条件及电磁波频率下的电场、磁场衰减特性。设计了等效介质实验,对等效电路模型进行了验证,得到了低频电磁波的衰减实验结果,实验结果表明了低频电磁波磁场分量衰减小于电场分量衰减理论预期的正确性。4、针对在电子密度和碰撞频率比值较大时电磁波衰减严重的问题,本文研究了利用正交电磁二维场降低电子密度方法的机理,建立了电磁流体模型,采用有限体积法研究了不同电极结构及不同参数条件(电子密度、气压、电压、磁场强度、流场速度等)下的电子密度削弱效果。仿真结果表明,U型电极的电子密度削弱效果优于平板型电极。在电子密度和气压较低的条件下,电子密度削弱的最佳效果可使电子密度降低到20%以下,长度达2cm。对不同气压下的仿真表明,在气压升高时,电子密度的削弱效果非常有限。5、针对典型飞行器再入过程中产生的等离子鞘套,研究评估了在不同高度下的低频传播特性以及正交电磁二维场的电子密度削弱效果,分析结果表明,通过正交电磁二维场与低频电磁波相结合的方式,频率为3MHz的电磁波将十分有希望实现在20~100km再入全程中衰减不超过30 d B的目标。综上所述,本文的研究成果为应用低频电磁波以及正交电磁二维场减缓黑障的方法提供了理论研究方法,并为两者的应用提出了一些方向指导,对探索减缓黑障的问题具有重要的意义。
【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】：2016
【分类号】：V219;V243.1

【参考文献】

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1 赵汉章,吴是静,董乃涵;不均匀等离子体鞘套中电磁波的传播[J];地球物理学报;1983年01期

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本文编号：1243677