【摘 要】
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进入大气层的高速飞行器与空气摩擦导致气体电离形成等离子体覆盖于飞行器表面,形成“等离子鞘”。通信信号会被等离子鞘层削弱甚至完全阻断,即“黑障”现象,严重影响了飞行器再入大气层和着陆安全,因此等离子鞘层电磁波的传播是航天飞行器研究中必须解决的问题。本文采用理论仿真和实验方法,设计一个等离子体电磁波实验系统,研究等离子体中电磁波传输损耗特性,为解决等离子体对电磁波的屏蔽问题提供技术支撑。本文的主要研究
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进入大气层的高速飞行器与空气摩擦导致气体电离形成等离子体覆盖于飞行器表面,形成“等离子鞘”。通信信号会被等离子鞘层削弱甚至完全阻断,即“黑障”现象,严重影响了飞行器再入大气层和着陆安全,因此等离子鞘层电磁波的传播是航天飞行器研究中必须解决的问题。本文采用理论仿真和实验方法,设计一个等离子体电磁波实验系统,研究等离子体中电磁波传输损耗特性,为解决等离子体对电磁波的屏蔽问题提供技术支撑。本文的主要研究工作如下:(1)分析了等离子体参数,同时探讨了等离子体中电磁波传播衰减的原因,并进一步分析了等离子体模型。(2)从实验角度出发,对等离子体产生设备进行了讨论,并基于辉光放电原理,设计了平板放电等离子体发生器。通过COMSOL仿真,对该型等离子体发生器进行可行性验证。仿真显示,所设计的等离子体试验箱能够产生均匀分布高密度的等离子体,最大密度达到了1.56×109/m3。(3)以仿真的等离子试验箱及其等离子体密度分布为基础,借助CST仿真,建立了Drude模型等离子体中电磁波的传播模型,仿真研究了1-30GHz电磁波的传输损耗特性。同时,为提高电磁波在等离子体中的透射能力,研究了外加电场、外加磁场以及外加电磁场对等离子体电磁波传播特性的影响。仿真结果表明,当电磁波频率在1.2GHz以下时,电磁波在等离子体中传播损耗较大,而高频电磁波受到的影响较小;同时外加电磁场在1.5GHz以下有助于降低传播损耗。此外,研究了薄层等离子体电磁波损耗特性。仿真结果表明,当电磁波频率在0.85GHz以下时,电磁波在等离子体中传播损耗较大,而高频电磁波受到的影响较小;同时外加电磁场在0.70GHz以上有助于降低传播损耗。(4)设计并制造了等离子发生器,通过实验测量了所产生的等离子密度,结果表明该发生器可产生密度达到1.64×1015/m3的等离子体。基于该等离子体发生器,搭建了等离子体电磁波实验系统,以对等离子体对电磁波的影响进行实验研究,并研究探讨了外加磁场对等离子体电磁波的影响。实验结果表明,在电磁波频率处低于5GHz时,等离子体对电磁波的传播损耗影响较大,最大损耗达20.9d B,等离子体对频率高于5GHz影响较小。同时,施加3.66m T、9.13m T和19.39m T三种磁场强度后,电磁波传播损耗降低了最大8.8d B,表明施加外加磁场可以有效改善电磁波传播能力。
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