關于等離子體隱形技術的淺析

1、關于等離子體隱形技術的淺析宣讀人： 張磊 PB01009032一、引言一、引言 所謂等離子體的隱形技術，就是通過電磁波與等離子體的相互作用，利用等離子體對電磁波的反射、折射、吸收、變頻等，將電磁波能量衰減，改變電磁波的傳播相角，乃至是電磁波產(chǎn)生繞射，從而達到隱形效果。 本文在理論上從等離子體對電磁波功率的吸收作用方面進行探討、分析。所取的電磁波頻段為現(xiàn)役雷達的頻率范圍（0.510GHz），等離子體中的電子與中性氣體的碰撞頻率為0.1GHz10GHz。參考書目: 1、等離子體物理學導論 FFCHEN 中國科學技術大學(四系教材) 2、電磁波在等離子體中的傳播 蘇:BJI金茲堡 科學出版社 3、等

2、離子體物理原理 馬騰才、胡希偉、陳銀華著 中國科學技術大學出版社1988 4、電磁場與電磁波 謝處方、饒克謹著 高等教育出版社1999.6月第二版 5、電磁波與等離子體的相互作用 孫愛萍、李麗瓊、邱孝明、董玉英著 6、電磁場、電磁能和電磁波 美:LM瑪奇德著 高等教育出版社1882.12月第一版 7、未來制造業(yè)和加工也中的等離子體 邱孝明 (3) (2) (1) 二、電磁波與均勻非磁化等離子體的相互作用電磁波與均勻非磁化等離子體的相互作用 1基本理論 首先給出電磁波在均勻非磁化等離子體中的麥克斯韋方程組)4()3(0)2() 1 (000tDHHBBtBEEDDr220000)()()(tEt

3、DttHtBtBEr對方程組中式（2）求旋度，并利用式（4）得： 利用矢量分析式，并考慮0 E0EEEEE22)()(，得 可得到電磁波在均勻非磁化等離子體中的傳播方程)5(2202tEro由于 電 磁 波 的一般解 都可以用平面波分量的傅立葉積分來展開，這里僅以平面電磁波與等離子體的相互作用為例，假設電磁波沿X軸正向傳播，則：)6(1exp0jxrtjEE 式中 為電磁波的角頻率； 為傳播常數(shù)，有式（5）和式（6）可解出電磁波在均勻非磁化等離子體中的色散關系為：r）（為光速722ccrr由傳播常數(shù))8(jcjrr得：)10()9(rermRcIc上式中 為衰減系數(shù)； 為相位常數(shù)。下面分析等離

4、子體的介電常數(shù) ：r 由于在等離子體中，中性氣體的密度遠大于等離子體密度，因此可以忽略電子與離子的碰撞，另外離子的質量遠大于電子的質量，可以忽略其運動，僅考慮電子的運動。 對于一團電子氣來說，電子的移動相當于產(chǎn)生一個極化強度 ，它等于單位體積中的電偶極矩：P)11(EnerP 式中 為電極化率，現(xiàn)在要求 和 的關系，故引用郎之萬方程：( 為電子與中性氣體的碰撞頻率）r r rrE)12(eErmrmenee enitr為電磁波頻率)13(2Emerjreen)14()Ejmerene得將式（14）代入式（11）得)15()(2enejmne而有等離子體頻率：epmne224)16(41r)17

5、(/1222222enenpenprj 假設電磁波在真空中的傳播功率為 經(jīng)真空與等離子體界面進入到等離子體內的功率為 ，被界面反射的功率為 。由于均勻等離子體的密度不變，對于一定頻率的入射波，介電常數(shù)不變，因此在等離子體內部不存在反射。 電磁波在交界面上的反射功率滿足下式：0PiPrP)18(1120rrrPP通過界面進入等離子體介質內的電磁波功率為： )19(0riPPP傳播到任一位置 的波的功率為： x)20(2exp)(xPxPi假設等離子體厚度為 ，則電磁波經(jīng)等離子體衰變后在 處透射出去的功率：ddx )21(2expdPPit因此電磁波被等離子體吸收的功率為：)22(0traPPPP

6、計算參數(shù)： 電磁波頻率在現(xiàn)役雷達工作頻段中取值( ) ; 等離子體密度取 ，即 ; 碰撞頻率取 ; 等離子體厚度取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*f

7、pi/(fmj*fmj+fek*fek); b=fpi*fpi*fek/fmj/(fmj*fmj+fek*fek); x=sqrt(sqrt(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=%-10

8、f n,a,b,x,y,af); printf(Pr/Po=%-15f Pt/Po=%-15f Pa/Po=%-15f,Pr,Pt,Pa); printf(n); return; Pa/Pofp=0.9GHz時電磁波的吸收圖fmPa/Pofp=2.8GHz時電磁波吸收圖fm 分析分析1.當電磁波頻率接近等離子體頻率時，吸收頻率趨于峰值，這是因為電磁波與等離子體發(fā)生共振，電磁波加強了等離子體電子的振蕩，電子吸收了較多的電磁波能量。2.當電磁波頻率、等離子體頻率和碰撞頻率都接近時（圖一的fen=0.5、1.0GHz和圖二的fen=1.0、5.0GHz曲線的峰值點），吸收功率存在較大的峰值。這是因為

9、兩種共振（電子振蕩和碰撞）同時發(fā)生，吸收的電磁波能量最多。3.吸收功率隨等離子體密度的增大而增大，這是由于等離子體密度越大，參與碰撞的電子越多，吸收的電磁波也就越多。4.當 ，即fp=2.8GHz時，且碰撞頻率較高時（fen=5.0、10.0GHz，尤其fen=5.0GHz），吸收功率在這個雷達范圍內都比較大，吸收比例最高可達90%以上，很理想。5.此外，可以發(fā)現(xiàn)：反射頻率隨等離子體密度的增大而增大，隨電磁波頻率的升高而減少，隨碰撞頻率的升高而減少；透射頻率則隨等離子體的增大而減少，隨電磁波頻率的升高而增大。31110 cmn 結論結論: 當?shù)入x子體密度比較大時，電子與中性氣體的碰撞頻率比較大時,可以有很好的隱形效果，最高可超過90%。參考書目: 1、等離子體物理學導論 FFCHEN 中國科學技術大學(四系教材) 2、電磁波在等離子體中的傳播 蘇:BJI金茲堡 科學出版社 3、等離子體物理原理 馬騰才、胡希偉、陳銀華著 中