柱狀等離子體微波透射衰減數據的測量及其應用

　　微波透射衰減數據是研究等離子體與微波相互作用時(shí)的重要實(shí)驗數據，本文針對柱狀等離子體，分析了準確測量其微波透射衰減所應滿(mǎn)足的三個(gè)條件：等離子體等厚、入射波遠場(chǎng)、等離子體反射可忽略;并設計了滿(mǎn)足上述條件的測量實(shí)驗。除直接用于分析等離子體參數對微波傳輸的影響外，本文提出了該數據的另外兩種用途：診斷等離子體參數、判定等離子體穩定性。

　　等離子體隱身技術(shù)作為一種新概念的隱身技術(shù)，受到世界廣泛關(guān)注，等離子體與微波相互作用的理論與實(shí)驗研究是其中一個(gè)重要的方面，而微波穿透等離子體時(shí)的透射衰減數據則是實(shí)驗研究中的一個(gè)重要實(shí)驗數據。柱狀等離子體是受柱狀放電腔約束而形成的等離子體，其通過(guò)組合可形成類(lèi)等離子體平板層的結構，文獻通過(guò)從理論角度仿真分析了該平板層結構用于目標隱身的可行性，透射衰減數據則是后續實(shí)驗研究其與微波相互作用的重要依據。文獻給出了測量透射衰減的一般過(guò)程，并沒(méi)有明確給出準確測量所需滿(mǎn)足的條件，其得到的測量結果只是一個(gè)粗略的結果;再者由于柱狀等離子體表面存在曲率，其對入射的微波有發(fā)散作用，若僅是簡(jiǎn)單依據文獻給出的實(shí)驗過(guò)程，其透射衰減測量結果將更偏離準確值，從而無(wú)法實(shí)現透射衰減的準確測量。

　　本文針對文獻在測量柱狀等離子體微波透射衰減時(shí)的不足，通過(guò)分析等離子體微波透射衰減測量原理圖，首先提出了實(shí)現單根柱狀等離子體透射衰減準確測量所必須滿(mǎn)足的三個(gè)條件，然后合理設計實(shí)驗使其滿(mǎn)足上述條件，實(shí)現了柱狀等離子體透射衰減的準確測量，最后提出該透射衰減數據的三種用途。

　　1、透射衰減準確測量的條件及其說(shuō)現

　　等離子體微波透射衰減測量實(shí)驗原理圖如圖1所示，假定平面波垂直入射等離子體表面并能夠全部進(jìn)入，而不引起反射，則可通過(guò)測量產(chǎn)生等離子體前后的S210和S21，進(jìn)行相減處理即可得到微波透射衰減SdB。

圖1 等離子體微波透射衰減測量原理圖

　　通過(guò)分析原理圖，總結得到若要實(shí)現準確測量，實(shí)驗必須滿(mǎn)足以下三個(gè)條件：

　　(1)等離子體的等厚條件。等離子體等厚時(shí)，等離子體表面法向與入射波方向一致，這樣可使入射的平面電磁波不會(huì )因等離子體表面的不規則散射而改變傳播方向，從而無(wú)法被喇叭接收到，導致測量誤差。

　　(2)入射波的遠場(chǎng)條件。由于實(shí)際實(shí)驗中使用的是矩形喇叭天線(xiàn)，其發(fā)射波為介于柱面波與球面波之間，只有在滿(mǎn)足遠場(chǎng)條件時(shí)才可近似認為是平面波。

　　(3)等離子體反射可忽略的條件。在理論分析中，假定了電磁波可完全進(jìn)入等離子體，不引起反射，從而才可以認為產(chǎn)生等離子體前后測量的透射功率的差值即等離子體而造成的透射衰減。

　　下面分別分析如何設計實(shí)驗滿(mǎn)足上述測量條件。

　　(1)等離子體的等厚條件

　　實(shí)驗中選擇使用兩塊金屬板在柱狀放電腔兩側進(jìn)行遮擋，僅留出約2~3cm的距離(根據等離子體柱的直徑大小)供電磁波穿過(guò)，如圖2所示。

圖2 金屬鋁板置位示意圖

　　這里，使用金屬平板可以起到兩方面的作用。一方面，使得微波沒(méi)有穿過(guò)等離子體的部分不能進(jìn)入接收喇叭，從而不會(huì )對結果產(chǎn)生影響;另一方面，金屬平板從兩側遮擋住部分等離子體柱，盡可能的減弱了圓柱曲面的影響，使電磁波在等離子體中的透過(guò)距離相等，從而使得電磁波穿透過(guò)的等離子體盡可能的滿(mǎn)足等厚條件。

　　結論

　　通過(guò)分析，本文得到了實(shí)現透射衰減準確測量必須滿(mǎn)足的三個(gè)條件：等離子體的等厚條件、入射波的遠場(chǎng)條件和等離子體反射可忽略的條件，依據上述條件設計實(shí)驗實(shí)現了對柱狀等離子體透射衰減的準確測量;除用于分析等離子體對微波傳輸的影響外，本文提出了透射衰減數據的另外兩種用途：診斷等離子體參數、判定等離子體狀態(tài)的穩定性。

　　利用本文的測量實(shí)驗，可以為采用雙頻點(diǎn)微波透射衰減診斷法實(shí)現等離子體參數的準確診斷以及分析外界因素對等離子體狀態(tài)穩定性的影響提供可靠的原始數據。