电磁波斜入射等离子体介质的FDTD方法

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当超高声速飞行器在临近空间飞行时,由于飞行器与空气的摩擦,飞行器表面的温度急剧升高。高温致使临近空间飞行器表面烧蚀材料和空气电离形成等离子体,称为“等离子鞘套”。等离子体介质会反射和吸收电磁波,致使通信信号经过等离子体层后急剧衰减,造成飞行器与外界的通信中断,这就是“黑障”现象。研究电磁波在等离子介质中的传播特性具有重大意义。  在现实情况中,由于飞行器天线和地面站的相对位置等原因,电磁波总是以一定的角度入射等离子鞘套的。本文利用时域有限差分方法(finite-difference time-domain FDTD)研究了电磁波斜入射等离子鞘套层时的传播特性,为上层通信中的信道建模提供参考。  在时域有限差分方法中,斜入射问题通常要放在二维模型中解决。本文利用一维时域有限差分方法计算了电磁波斜入射等离子体时的传输特性,避免了二维平面波引入的麻烦,大大提高了计算效率,节省了计算时间。同时FDTD算法中二维平面波的引入会存在漏电现象,影响计算精度,利用一维FDTD迭代解决斜入射问题,大大提高了计算精度。在本文算例中通过和波阻抗方法的对比,验证了本文方法的准确性。  对等离子鞘套层加磁场可以改善等离子体的介电特性,降低等离子体对低频和高频电磁波的衰减和反射,从而改善飞行器的通信质量。本文利用移位算子时域有限差分方法(shift operator finite-difference time domain SO-FDTD)研究了电磁波斜入射磁化等离子体时的传播特性。由于磁化等离子是各向异性介质,主要研究了磁化等离子体本征波(左旋圆极化波和右旋圆极化波)的反射系数,透射系数和相位变化。
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