等离子体天线的辐射与散射特性分析

论文摘要

本文主要运用数值模拟方法从理论上研究等离子体天线的辐射与散射特性，内容涉及等离子体与电磁波的相互作用、等离子体天线、等离子体隐身技术三个方面，基本上不涉及工程实现。 论文首先对研究工作所涉及的几个重要等离子体物理参数进行了简单介绍和必要的推导。 时域有限差分（FDTD）方法是目前解决非均匀、各向异性、色散媒质的一种常用数值方法。等离子体作为一种典型的各向异性色散媒质，正好适用该方法。为此，论文首先运用辅助差分方程（ADE）算法非常简便地推导了非磁化等离子体的FDTD公式，接着利用分段线性递归卷积（PLRC）算法详细推导了磁化等离子体的FDTD公式，并首次将PLRC算法推广到任意磁偏角情形的磁化等离子体，然后用计算实例对公式的正确性进行了检验。此外，讨论了同轴线内导体的细导线模型处理以及近远场变换技术。在此基础上，考察了等离子体覆盖层对单极子天线和微带贴片天线的影响，并通过添加介质隔离层、引入适当的校正来减小等离子体的影响。 本文重点在于对一种全新概念天线——等离子体天线的探索性研究。首先简单讨论了等离子体天线的基本原理，着重推导了等离子体介质圆柱波导的色散方程。然后设计了一种同轴线激励的等离子体鞭天线，并分析了它的辐射与散射特性。 论文正确推导了二维横磁（TM）波入射等离子体覆盖导体圆柱以及介质包围等离子体圆柱的解析公式（Mie级数解）。采用基于体积分方程的矩量法（MoM）分析了二维等离子体柱以及三维等离子体鞭天线的散射特性。在MoM的求解过程中，通过结合共轭梯度-快速傅里叶变换（CG-FFT）技术，大大提高了计算效率，获得了比较精确的结果。 最后，论文综合运用Mie级数公式、MoM-CG-FFT和FDTD方法对二维等离子体覆盖导体柱、等离子体天线、等离子体天线阵列以及三维等离子体鞭天线等的雷达散射截面（RCS）进行了详细计算。同时，论文讨论了不同参数对等离子体散射体RCS的影响并得出了一些有指导意义的结论，这些工作无疑对飞行器的隐身分析与隐身设计具有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究方法
• 1.2.1 等离子体的理论描述方法
• 1.2.2 等离子体的实验研究
• 1.2.3 等离子体诊断
• 1.2.4 等离子体的数值模拟研究
• 1.3 研究方案
• 1.3.1 等离子体的FDTD研究
• 1.3.2 等离子体的MoM研究
• 1.4 主要工作
• 2 等离子体物理参数
• 2.1 等离子体频率
• 2.2 电子碰撞频率
• 2.3 回旋频率
• 2.4 等效介电常数
• 2.5 导电率
• 2.6 折射率
• 2.7 本章小结
• 3 等离子体覆盖单极子天线的FDTD分析
• 3.1 非磁化等离子体的ADE-FDTD算法
• 3.2 磁化等离子体的PLRC-FDTD算法
• 3.3 细导线的FDTD处理
• 3.4 等离子体覆盖单极子天线的FDTD结果
• 3.5 本章小结
• 4 等离子体天线的辐射特性分析
• 4.1 等离子体介质圆柱波导的色散方程
• 4.2 FDTD瞬态场的外推
• 4.2.1 三维瞬态场的外推
• 4.2.2 二维瞬态场的外推
• 4.3 同轴线激励的等离子体鞭天线的FDTD分析
• 4.4 本章小结
• 5 等离子体天线的散射特性分析
• 5.1 双层介质圆柱的Mie级数解
• 5.2 二维介质柱的MoM-CG-FFT数值方法
• 5.3 等离子体柱的散射宽度
• 5.3.1 磁化等离子体圆柱
• 5.3.2 非磁化等离子体覆盖导体圆柱
• 5.3.3 等离子体天线
• 5.3.4 等离子体天线阵
• 5.4 三维介质体的MoM-CG-FFT数值方法
• 5.5 等离子体鞭天线的RCS
• 5.6 本章小结
• 6 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的科研成果