超寬譜高功率微波低電離層中的自作用效應(yīng)

超寬譜高功率微波低電離層中的自作用效應(yīng)

電離層是空間環(huán)境的重要組成部分，位于離地面約60.1公里處。電離層是隨機的、分散的、各向異性的手段。其特征參數(shù)隨著時間和地理位數(shù)的不同而變化。這些電離層狀態(tài)的變化會影響電離層磁體的傳播。高功率微波(HPM,highpowermicrowave)在電離層中傳輸時,由于其強電場的作用,易導(dǎo)致電離層狀態(tài)的改變.由于電離層自由電子的平均自由程很大,所以在兩次碰撞之間能從電場中獲得較大的能量.同時,相比重粒子,電子的質(zhì)量較小,這就在一定程度上阻止了由碰撞引起的從電子向分子、原子、離子的能量傳遞.因此,電離層中自由電子很容易被外加電場加熱.電離層電子溫度增加時,電子碰撞頻率和電子密度將隨之改變,電離層的介電常數(shù)和電導(dǎo)率也將隨之變化,因此可能引發(fā)諸如自作用、互作用和電離層調(diào)制等非線性效應(yīng).文獻(xiàn)推導(dǎo)了HPM低電離層中的自作用因子和電場振幅與初始場強的關(guān)系,論文在此基礎(chǔ)之上,詳細(xì)討論了低頻端超寬譜HPM在低電離層中的自作用效應(yīng).1實驗結(jié)果及分析電離層無擾動時,即無外加電場作用或外加電場作用較小時,電離層可看作弱電離的低溫等離子體,引入等離子體特征電場Ep為Ep=3kTme2δ0(ω2+ν2m0)???????????????√(1)Ep=3kΤme2δ0(ω2+νm02)(1)其中,k為波爾茲曼常數(shù);T為等離子體絕對溫度;m為電子質(zhì)量;e為電子電荷量;ω為入射波頻率;δ0為電子在1次碰撞中損失的能量百分?jǐn)?shù);νm0=νm(Te0)為無擾動時電離層中電子的有效碰撞頻率,即電子溫度Te滿足Te=Te0時電子的初始碰撞頻率,Te0為無擾動時電離層中電子的溫度.對于L、S和X頻段的HPM來說,無擾動時等離子體特征電場較大,一般約為(100～1000)V/m,而頻率約為200MHz的超寬譜HPM對應(yīng)的特征等離子體場一般在10V/cm以下.如果入射波功率較小,滿足E?Ep時,稱入射波為弱波,此時等離子體可以看成是線性介質(zhì),即其介電常數(shù)、電導(dǎo)率等參量不隨入射功率變化.當(dāng)入射波功率較高,滿足E?Ep時,則稱入射波為強波,此時等離子體表現(xiàn)為非線性介質(zhì),即其介電常數(shù)、電導(dǎo)率等參量為場強的函數(shù).其原因在于等離子體的介電常數(shù)、電導(dǎo)率參量都是碰撞頻率的函數(shù),而碰撞頻率又以一定的關(guān)系依賴于電子溫度,當(dāng)較高的入射功率引起電子溫度升高時,上述參數(shù)就隨之發(fā)生變化,因而成為場強的函數(shù).目前,車載HPM輸出功率可達(dá)(1～10)GW,天線增益高達(dá)幾十分貝.計算可知其在60km高空電場強度約為300V/m左右,數(shù)值大小大致與L、S和X波段的特征等離子體場相當(dāng),但遠(yuǎn)大于低頻端超寬譜所對應(yīng)的特征電場.因而只有在超寬譜的低頻端,HPM傳播到低電離層的電場強度E0才有可能遠(yuǎn)大于低電離層的特征等離子體場Ep,即滿足強場條件.在滿足強場條件的情況下,假設(shè)HPM是均勻平面波,并沿縱向(z軸方向)傳播.高功率微波與電離層電子相互作用,導(dǎo)致電子溫度Te迅速上升,從而碰撞頻率也將發(fā)生改變.強電場作用下電離層電子碰撞頻率vm滿足νm={1.0×10?9?NeT1/2e5.8×10?11NeT5/6eTe≥104?KTe≤104?K(2)νm={1.0×10-9?ΝeΤe1/2Τe≥104?Κ5.8×10-11ΝeΤe5/6Τe≤104?Κ(2)其中Ne為電子密度.這里定義τ=Te/Te0??????√=νm(Te)/νm0τ=Τe/Τe0=νm(Τe)/νm0,則電子溫度方程可表示為τ2?1=(E0(z)Ep)2ω2+ν2m0ω2+ν2m0τ2(3)τ2-1=(E0(z)Ep)2ω2+νm02ω2+νm02τ2(3)其中,ω為電波頻率;E0(0)為等離子體邊界處(即z=0)的電場振幅.無外加電場作用情況下,HPM電離層中線性傳播時的衰減系數(shù)α(z)可表示為α(z)=12ce2Ne0mε0νm0ω2+ν2m0(4)α(z)=12ce2Νe0mε0νm0ω2+νm02(4)其中,Ne0為初始電子密度.電波從等離子體邊界到目標(biāo)點z點總的衰減為K=∫z00zα(z′)dz′(5)電離層中自由電子密度和電子碰撞頻率隨高度緩慢變化,因此電波相移常數(shù)β是距離z的緩變函數(shù),其隨空間距離z的變化可忽略不計,即滿足dβ/dz≈0,所以,電場振幅的非線性波動方程可簡化為dEdz+α(z,E0)E=0(6)dEdz+α(z,E0)E=0(6)定義自作用因子P為HPM在電離層有擾動時傳輸一定距離后的接收電場強度與無電離層擾動時接收電場強度的比值,式(6)的解析解為P=E(z)E0(0)exp(?K)(7)Ρ=E(z)E0(0)exp(-Κ)(7)自作用因子P依賴于電離層邊界處HPM的振幅、頻率以及HPM穿入電離層內(nèi)的深度等因素.2媒體非線性變化就目前的HPM水平而言,低頻端超寬譜HPM在電離層中的電場強度能夠滿足強波條件.強波條件下,低頻端超寬譜HPM能引起強烈的電離層擾動,導(dǎo)致電離層電子溫度顯著增加,電子的碰撞頻率等參數(shù)也隨之改變,此時電離層表現(xiàn)出明顯的非線性,改變了電離層的媒質(zhì)特性;電離層媒質(zhì)特性的變化,反過來影響超寬譜HPM自身電離層中的傳輸,即發(fā)生自作用現(xiàn)象.研究超寬譜HPM在電離層中的傳輸特性,必須考慮自作用效應(yīng)的影響.自作用因子描述了電離層中的自作用對電場振幅的影響,超寬譜HPM在電離層中的自作用效應(yīng)采用式(7)定義的自作用因子描述,而自作用因子強烈依賴衰減因子K,根據(jù)K是否滿足K?1,分2種情況討論低頻端超寬譜HPM在電離層中的自作用效應(yīng).2.1超寬譜hpm在傳播距離作用下的自作用因子一般情況下,超寬譜HPM在電離層中傳輸,當(dāng)不滿足K?1時,對于任意的K,即對于在電離層中傳播任意距離的τ和自作用因子P,分別滿足式(3)和式(7).圖1為不同頻率條件下,超寬譜HPM在電離層中傳播不同距離時的自作用因子,這里取νm0=37MHz,Ne=1012個/m3,歸一化電場E0(0)/Ep=20.從圖1可以看出,除30MHz外,隨著傳播距離的增加,低頻端超寬譜HPM在電離層中的自作用因子越來越小,且逐漸趨于1個固定常數(shù).同時,頻率越高,自作用效應(yīng)越明顯.2.2低頻端超寬譜hpm的自作用效應(yīng)圖2為不同電子密度條件下,低頻端超寬譜HPM在電離層中傳播不同距離時的自作用因子,這里取νm0=37MHz,歸一化電場E0(0)/Ep=20,超寬譜HPM頻率為30MHz.從圖2可以看出,隨著傳播距離的增加,低頻端超寬譜HPM在電離層中的自作用因子越來越小,自作用效應(yīng)越來越明顯.另外,相同條件下,電子密度越大,自作用效應(yīng)越明顯.2.3低頻端超寬譜hpm在傳播距離的影響圖3為不同初始?xì)w一化電場條件下,超寬譜HPM在電離層中傳播不同距離時的自作用因子,這里取νm0=37MHz,Ne=1012個/m3,超寬譜HPM頻率為200MHz.可以看出,隨著傳播距離的增加,低頻端超寬譜HPM在電離層中的自作用因子越來越小.當(dāng)其在電離層中傳播距離較近時,自作用因子與初始?xì)w一化電場E0(0)/Ep之間沒有明顯的規(guī)律,但傳播距離較遠(yuǎn)時(一般情況下傳播距離大于3km),可以看出,初始?xì)w一化電場強度越大,自作用因子越小,低頻端超寬譜HPM在電離層中的自作用效應(yīng)越明顯.2.4k1.2自作用因子p曲線在電離層內(nèi)部,考慮到低頻端超寬譜HPM的強場作用,超寬譜HPM線性衰減很大,即K?1時,τ值將逐漸趨近于1,此時超寬譜HPM在電離層內(nèi)部的接收電場強度E(z)和自作用因子P可寫為E0(z)=2Epτ0?1τ0+1????√exp[2ν2m0(τ0?1)ω2+ν2m0]exp(?K)(8)E0(z)=2Epτ0-1τ0+1exp[2νm02(τ0-1)ω2+νm02]exp(-Κ)(8)P=2EpE0(0)τ0?1τ0+1????√exp[2ν2m0(τ0?1)ω2+ν2m0](9)Ρ=2EpE0(0)τ0-1τ0+1exp[2νm02(τ0-1)ω2+νm02](9)圖4給出了滿足K?1時不同頻率情況下自作用因子P與E0(0)/Ep的關(guān)系曲線.這里,電子初始碰撞頻率取νm0=37MHz,對超寬譜HPM在60km處電離層中傳播時的自作用因子進(jìn)行仿真計算.從圖4可以看出,超寬譜HPM頻率為30MHz時,自作用因子P曲線存在拐點,且在E0(0)≈100Ep時存在極小值Pmin≈0.1,并且歸一化場強相同時,頻率越高,自作用因子越小,超寬譜HPM的自作用效應(yīng)越明顯.3低頻端超寬譜hpm的自作用效應(yīng)采用自作用因子描述了低頻端超寬譜HPM在低電離層中的自作用效應(yīng),對HPM在低電離層中的自作用效應(yīng)分析可以看出,自作用因子與入射到等離子體邊界的初始場強、電波頻率、電子碰撞頻率、電子密度、傳播距離等參數(shù)有關(guān).仿真結(jié)果表明,對于低頻端超寬譜HPM而言,如果其在電離層中的衰減較大(滿足K?1),則其自作