平面电磁波与一维强碰撞弱电离等离子体的相互作用

论文摘要

电磁波与等离子体的相互作用,尤其是电磁波在等离子体中的反射与吸收,一直是一个十分活跃的研究课题,它对于等离子体物理与电磁波理论来说都是非常重要的。由于不同位形和密度的等离子体对入射的电磁波有不同的响应特性,因此研究各种等离子体对高频电磁波传播的影响具有重要意义。近年来,这一领域由于其在无线电空间通信、等离子体天线技术等方面有着广阔的应用前景而得到了人们的广泛关注。本文主要讨论了一维模型下的大气等离子体层中电磁波的传播特性,以及不存在外磁场和存在外磁场两种情况下,平面电磁波入射到具有金属衬底的等离子体层时的反射特性。考虑到实际大气中负离子的影响,文中假设等离子体是由正离子、电子和负离子组成,等离子体密度分布函数采用双曲正切函数形式。本文采用时域有限差分(FDTD)方法,研究了等离子体密度梯度,电子与中性粒子的碰撞频率,电子比例,等离子体层厚度及外加磁场对电磁波在等离子体中的传播特性的影响。研究结果发现:在本文所选的入射波频率范围内,当频率较低时,电磁波的反射系数随等离子体密度梯度的增大而增大,当频率较高时,结果却变得更为复杂;电子与中性粒子的碰撞频率越大,电子比例越大,等离子体层厚度越大,电磁波反射系数越小,吸收带宽越宽;外磁场的引入在一定程度上增大了电磁波的衰减带宽。结果表明:等离子体的各种参数及外磁场的引入对电磁波入射到等离子体层时的反射和衰减都有很大的影响。适当地引入外磁场,匹配合适的电子与中性粒子的碰撞频率,较厚的等离子体层,在低频区选取较小的密度梯度,高频区选取较大的密度梯度,从而实现等离子体对电磁波更好的低反射高吸收效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 等离子体的基本理论
• 1.1.1 等离子体的基本概念
• 1.1.2 等离子体的产生方法
• 1.1.3 等离子体的分类
• 1.1.4 等离子体的特征参数
• 1.2 波与等离子体相互作用
• 1.2.1 等离子体的特性
• 1.2.2 波在等离子体中传播的各种情形
• 1.3 电磁波与等离子体相互作用的应用
• 1.3.1 电离层空间通讯
• 1.3.2 等离子体微波电子学
• 1.3.3 等离子体天线
• 1.3.4 核聚变等离子体加热
• 1.3.5 等离子体隐身
• 1.3.6 强激光等离子体
• 2 时域有限差分方法
• 2.1 FDTD方法的基本原理和特点
• 2.2 Maxwell方程组及其FDTD算法
• 2.2.1 Maxwell方程组及其Yee元胞
• 2.2.2 直角坐标系中的FDTD的三维情形
• 2.2.3 直角坐标系中的FDTD的二维情形
• 2.2.4 直角坐标系中的FDTD的一维情形
• 2.3 数值稳定性条件
• 2.4 吸收边界条件
• 2.4.1 Mur吸收边界
• 2.4.2 PML吸收边界
• 2.5 FDTD方法中常用激励源
• 2.5.1 时谐场源
• 2.5.2 脉冲源
• 3 电磁波在非均匀非磁化等离子体层中的传播
• 3.1 基本模型
• 3.2 参数选取
• 3.3 模拟结果及讨论
• 3.3.1 等离子体中电磁波电场分量振幅的演化
• 3.3.2 密度梯度对反射系数、透射系数和功率吸收的影响
• 3.3.3 碰撞频率对反射系数、透射系数和功率吸收的影响
• 3.3.4 电子比例对反射系数、透射系数和功率吸收的影响
• 3.3.5 等离子体层厚度对反射系数、透射系数和功率吸收的影响
• 3.4 本章小结
• 4 电磁波在覆盖在金属表面的非均匀等离子体层中的反射特性
• 4.1 基本模型
• 4.2 参数选取
• 4.3 模拟结果及讨论
• 4.3.1 等离子体中电磁波电场分量振幅的演化
• 4.3.2 密度梯度对反射系数的影响
• 4.3.3 碰撞频率对反射系数的影响
• 4.3.4 电子比例对反射系数的影响
• 4.3.5 等离子体层厚度对反射系数的影响
• 4.4 本章小结
• 5 电磁波在覆盖在金属表面的非均匀磁化等离子体层中的反射特性
• 5.1 基本模型
• 5.2 参数选取
• 5.3 模拟结果及讨论
• 5.3.1 磁场对反射系数的影响
• 5.3.2 密度梯度对反射系数的影响
• 5.3.3 碰撞频率对反射系数的影响
• 5.3.4 电子比例对反射系数的影响
• 5.3.5 等离子体层厚度对反射系数的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢