本文關鍵詞：等離子鞘套下的低頻傳播特性與正交電磁二維場抑制方法研究

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【摘要】：高速飛行器在高空稀薄的大氣層內高速飛行時,產生的等離子鞘套會對導航、遙控遙測、安控等電磁波信號產生嚴重的衰減,甚至產生通信中斷。本文針對這一問題,研究了低頻電磁波在等離子鞘套下的傳播特性,重點分析了由飛行器上發(fā)射出的電磁波經過等離子鞘套的近場衰減機理、由地面發(fā)射出的電磁波在飛行器等離子鞘套環(huán)境下的遠場衰減機理,提出了相應的理論計算模型,計算了不同等離子體條件下的電磁波衰減特性,并設計實驗分別進行了驗證。針對電子密度與碰撞頻率比值較高時電磁波衰減較大的情況,研究利用正交電磁二維場降低電子密度方法的機理,建立了理論仿真模型,通過數值模擬給出了在不同條件下的電子密度削弱效果。本文研究將為在等離子鞘套下實現通信提供理論基礎和方法支撐,為利用正交電磁二維場降低電子密度、改善通信環(huán)境提供理論方法和應用評估。主要研究內容如下:1、研究了低頻電磁波在近場區(qū)域內與等離子鞘套的作用機理,提出了基于電磁屏蔽理論的近場區(qū)域內低頻電磁波穿透均勻等離子體的衰減計算模型以及基于平面波譜展開法的近場區(qū)域內低頻電磁波穿透非均勻等離子體的衰減計算模型,基于以上模型研究了在不同電子密度、碰撞頻率、電磁波頻率及不同電子密度分布下的電磁波衰減特性規(guī)律,進行了仿真計算,給出了近場區(qū)域內電磁波衰減與等離子體參數之間的關系。2、利用低頻電源激勵的低氣壓輝光放電等離子體開展了近場區(qū)域下低頻電磁波穿透均勻等離子體的實驗,實驗結果與理論計算結果吻合,驗證了近場區(qū)域內低頻電磁波衰減計算模型的有效性。為加強實驗結果的可靠性,研究了低頻輝光放電干擾靜電探針的相關機理,并對探針系統(tǒng)進行了改進與測試,實驗結果表明,改進后的靜電探針與微波法測量得出的電子密度相比誤差降低至了30%以下。3、當飛行器接收地面發(fā)射的低頻電磁信號時,由于等離子鞘套尺寸遠小于低頻電磁波的波長,因此本文將等離子鞘套簡化為均勻分布的等離子體球殼,提出了電小尺寸等離子體球殼覆蓋下低頻電磁波電、磁場分量衰減計算的等效電路模型,研究了等離子體覆蓋下低頻電磁波的電場、磁場分量衰減機理,利用等效電路模型計算了不同等離子體條件及電磁波頻率下的電場、磁場衰減特性。設計了等效介質實驗,對等效電路模型進行了驗證,得到了低頻電磁波的衰減實驗結果,實驗結果表明了低頻電磁波磁場分量衰減小于電場分量衰減理論預期的正確性。4、針對在電子密度和碰撞頻率比值較大時電磁波衰減嚴重的問題,本文研究了利用正交電磁二維場降低電子密度方法的機理,建立了電磁流體模型,采用有限體積法研究了不同電極結構及不同參數條件(電子密度、氣壓、電壓、磁場強度、流場速度等)下的電子密度削弱效果。仿真結果表明,U型電極的電子密度削弱效果優(yōu)于平板型電極。在電子密度和氣壓較低的條件下,電子密度削弱的最佳效果可使電子密度降低到20%以下,長度達2cm。對不同氣壓下的仿真表明,在氣壓升高時,電子密度的削弱效果非常有限。5、針對典型飛行器再入過程中產生的等離子鞘套,研究評估了在不同高度下的低頻傳播特性以及正交電磁二維場的電子密度削弱效果,分析結果表明,通過正交電磁二維場與低頻電磁波相結合的方式,頻率為3MHz的電磁波將十分有希望實現在20~100km再入全程中衰減不超過30 d B的目標。綜上所述,本文的研究成果為應用低頻電磁波以及正交電磁二維場減緩黑障的方法提供了理論研究方法,并為兩者的應用提出了一些方向指導,對探索減緩黑障的問題具有重要的意義。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V219;V243.1

【參考文獻】

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1 趙漢章,吳是靜,董乃涵;不均勻等離子體鞘套中電磁波的傳播[J];地球物理學報;1983年01期

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本文編號：1243677