單層柱狀等離子體陣列對微波透射衰減影響的實(shí)驗研究
利用矢量網(wǎng)絡(luò )微波測試系統測量了單層柱狀等離子體陣列對2~18GHz微波的透射衰減，分析了微波極化方向、等離子體密度、陣列中的單元間距等因素對微波衰減的影響。結果表明，該結構對TM波的衰減大于對TE波的衰減；對TM波的作用頻段約為2~10GHz，而對TE波僅為2~7GHz；在作用頻段內，增大電子密度、減小單元間距均可以在整體上改善對微波的透射衰減。
等離子體對微波的傳輸會(huì )產(chǎn)生一定的影響，而等離子體及其參數的空間分布是決定影響大小的重要因素。在通過(guò)實(shí)驗方法研究等離子體對微波傳輸的影響時(shí)，往往由于所產(chǎn)生的等離子體的空間分布無(wú)法控制，而導致無(wú)法系統地開(kāi)展這項研究。
本文采用多個(gè)圓柱形腔體來(lái)約束等離子體，可以很方便地控制等離子體的參數，并通過(guò)對腔體適當的排列組合控制等離子體在空間的分布。論文首先交代了所采用的單個(gè)柱狀等離子體的參數特征，然后通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò )微波測試系統測量了單層等離子體陣列對微波的透射衰減，分析了微波極化方向、等離子體密度、陣列中的單元間距等各種因素對微波衰減的影響。
1、放電單元特征及實(shí)驗圖示
本文采用圓柱形放電腔通過(guò)高頻放電產(chǎn)生柱狀等離子體。為保證測量得到穩定的透射衰減曲線(xiàn)，放電單元產(chǎn)生的等離子體要具有良好的穩定性。通過(guò)實(shí)驗分析，采用直徑d=2.5cm、長(cháng)度l=60cm、填充某混合氣體且氣壓為p的放電管，在現有實(shí)驗條件下，當放電管兩端加上高頻交流電壓，且放電頻率為f時(shí)，其腔體產(chǎn)生的等離子體具有很好的穩定性，其中放電管放電回路外加交流200V電壓，高頻放電頻率在千赫茲量級。采用等離子體雙頻點(diǎn)診斷理論得到其產(chǎn)生的等離子體電子密度在1017m-3、碰撞頻率在109Hz數量級上。
將放電單元并行排列可形成單層等離子體陳列，其透射衰減測量實(shí)驗裝置如圖1所示，圖中，喇叭天線(xiàn)對準等離子體柱陣列中間位置。實(shí)驗測量的微波頻率范圍為2~18GHz，具體采用了兩對喇叭天線(xiàn)，其測量頻率范圍分別在2~18GHz和8~18GHz，測量得到的透射衰減數據為矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的S21參數。
利用上述矢量網(wǎng)絡(luò )微波測試系統可以測量單層等離子體陣列在不同條件下對微波的衰減情況，下面分別從入射波的極化方向、等離子體電子密度Ne、等離子體間距三個(gè)角度分析實(shí)驗結果。
圖1單層等離子體柱陣列透射衰減測量系統
2、實(shí)驗結果分析
2.1、極化方向的影響
圖2為T(mén)M、TE波穿過(guò)單層等離子體柱陣列的透射衰減隨入射波頻率的變化曲線(xiàn)。兩種極化波極化方向如圖1所示。從圖2中可以看出，單層等離子體柱陣列對TM波的衰減明顯大于對TE波的衰減，特別在圖2(b)中313GHz處相差近5dB；陣列結構在對入射波頻率大于7GHz時(shí)對TE波已基本沒(méi)有衰減，而對于TM波則明顯超過(guò)此頻點(diǎn)；同時(shí)，對比圖2(a)、(b)；等離子體柱間距從0cm增大到2.5cm時(shí)，衰減整體減小，TE波的衰減作用頻段明顯向低頻移動(dòng)。
這里，等離子體對TM波衰減較大，可能是因為存在線(xiàn)性模轉換共振吸收造成的。因為，對于單根等離子體柱，其本身的密度沿徑向呈一階貝塞爾函數分布，即在徑向上呈現梯度分布，從而導致單層圓柱等離子體陣列在徑向上的電子密度呈現周期性變化，這樣，由于TM波中的E矢量平行等離子體柱徑向，即平行于密度梯度，從而符合線(xiàn)性模轉換共振吸收的條件。
圖2 單層等離子體柱陣列對不同極化波的透射衰減
2.2、電子密度的影響
圖3為等離子體電子密度分別為1×1017，2×1017m-3時(shí)TM波的透射衰減隨入射波頻率的變化曲線(xiàn)，圖中，電子密度Ne的標注省略單位(m-3)。從圖中可以看出，等離子體電子密度增大，透射衰減整體增大，且在2~10GHz基本都有2~4dB的衰減增加；從圖3(a)、(b)可以明顯看出，密度增大，衰減峰值略向高頻移動(dòng)。從圖3(b)可以看出，當頻率高于10GHz時(shí)，等離子體柱陣列對TM波基本沒(méi)有衰減作用，即使增大電子密度也沒(méi)有多少改善。因而，單層等離子體柱陣列對TM波的作用頻段基本在2~10GHz，在此頻段，可以通過(guò)調節電子密度改變柱陣列對電磁波的透射衰減。
圖3 單層等離子體柱陣列不同電子密度時(shí)的透射衰減
增大電子密度會(huì )增大對入射波的透射衰減，這在理論上可解釋如下：電子密度增大，等離子體對入射能量的反射和吸收均會(huì )增強，相應地，透射能量減小，因而，透射衰減效果得到改善。
2.3、柱間距的影響
圖4為等離子體柱間距分別為0，2.5cm時(shí)對TM波的透射衰減隨入射波頻率的變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出，在2~10GHz頻率范圍內，隨等離子體柱間距增大，透射衰減曲線(xiàn)整體上升，衰減減小，在圖4(c)、(d)中可以看出，衰減峰值位置略向低頻移動(dòng)。同時(shí)，由圖可以看出，當頻率大于10GHz時(shí)，等離子體柱陣列幾乎沒(méi)有衰減作用，間距改變幾乎沒(méi)有影響。間距變化對透射衰減的影響可理解為：當間距增大，等離子體對入射能量的反射和吸收減少，透射能量增大，因而在曲線(xiàn)表現出衰減曲線(xiàn)的整體上移。
圖4 單層等離子體柱陣列不同間距時(shí)的透射衰減
3、結論
綜合以上實(shí)驗結果，可以得到以下結論：
(1)單層等離子體柱陣列對TM波的透射衰減大于TE波，且對TM波的作用頻段在2~10GHz，而對TE波的作用頻段僅為2~7GHz。
(2)在單層陣列結構對微波的作用頻段內，調節電子密度可以改變等離子體陣列對微波的透射衰減，且電子密度增大時(shí)衰減峰值略向高頻移動(dòng)。
(3)在單層陣列結構對微波的作用頻段內，隨著(zhù)單元間距的增大，透射衰減是整體減小的，且衰減峰值位置向低頻移動(dòng)，即間距的增大不利于透射衰減。
以上結論為進(jìn)一步研究圓柱等離子體陣列的微波傳輸特性奠定的基礎，下一步將開(kāi)展研究多層陣列結構對微波透射衰減傳輸特性的影響以及陳列結構遮蔽目標時(shí)對微波回波傳輸特性的影響。
