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1、------------------------------------------------------------------------------------------------用FDTD及Z变换方法分析电离层中电磁波传播杭州电子工业学院学报第22卷第6期2002年12月JOURNALOFHANGZHOUINSTITUTEOFELECTRONICENGINEERINGVol.22,No.6Dec.2002吴跃丽,葛德彪,叶明112(1.西安电子科技大学理学院物理系,陕西西安710071;2.杭州电子工
2、业学院,浙江杭州310037)摘要:时域有限差分(FDTD)方法是计算时域电磁散射和辐射的方法,在处理色散介质电磁波传播及散射问题时,应用Z变换获得FDTD计算中电位移矢量D到电场强度E的时域递推关系式。并且应用这一方法分析线性调频雷达信号在电离层中的传播特性。关键词:电离层;等离子体;电子浓度;时域有限差分方法;Z变换中图分类号:TN011文献标识码:A文章编号:1001-9146(2002)06-0057-040引言时域有限差分(FDTD)方法是处理复杂形状目标和非均匀介质物体的电磁散射、辐射问题的有效方法[1
3、]。色散介质是一类复杂介质,等离子体、生物体、土壤等都具有色散特性。将FDTD用于处理电磁——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------波与色散介质相互作用时有3种方法,即循环卷积(Recursiveconvolution,RC)方法,辅助微分方程(ADE)方法[4-5]和Z变换方法[6-7]。本
4、文结合电离层为有耗等离子体色散介质的特性介绍用Z变换来获得FDTD时域推进的迭代方程,并分析线性调频雷达信号在电离层D层和F1层中的传播。[2-3]1电离层的电参量电离层是地球高层大气的一部分[8]。太阳紫外线等的辐射使该层内大气分子发生电离,从而产生大量自由电子。考虑到电离层中电子的碰撞,电离层为有耗等离子体。电离层处于距离地面高度约为60-2000km之间。整个电离层呈分层结构,通常区分为D层(高度约为60-90km)、E层(高度约为90-160km),和F1层(高度约为160-220km)及F2层(延伸100
5、0km以上)。[8]在电离层中,当考虑电子碰撞时,磁导率LUL=E:0,介电常数,E0Er,且X2pEr(X)=1+(1)eeXP=(2)mE0式中Xp为等离子体固有振荡频率,v为电子平均碰撞频率,X为入射信号频率,Ne为电子浓度,m收稿日期:2002-09-06作者简介:吴跃丽(1978-),女,山西芮城人,在读研究生,无线电物理.58杭州电子工业学院学报2002年和e分别为电子质量和电量。此外,用分段线性和抛物线近似来模拟电离层D层、F1层的电子浓度随高度的变化[8]。其中电离层D层的最小电子浓度Nemin=1
6、09m-3,最大电子浓度Nemax=2.5@109m-3,电——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------离层D层的电子碰撞频率v=107次/秒。电离层F1层的最小电子浓度Nemin=1.5@1011m-3,最大电子浓度Nemax=4@1011m-3,电离层F1层的电子碰撞频率v=104次/秒。由
7、于电子浓度Ne随空间而变,E也随之改变,所以电离层是不均匀色散介质。2FDTD及Z变换方法2.1Z变换考虑函数x(t)在时域的离散序列x(n):x(n)=x(t)D(t-n#vt),n=-],,,0,,]式中vt是时间间隔,D是Dirac函数。序列x(n)的Z变换定为:X(z)=-2x(n)zn=-]](3)(4)n[7]式中Z是一个复变量。一些常用函数的Z变换已有列表给出设有另一个离散序列:W(n)=x(n-1)即W(n)比x(n)延迟一个时间间隔vt。W(n)的Z变换为:W(z)=换言之,若:X(Z)`x(n)
8、则:Z-1X(z)`x(n-1)2W(n)zn=-]]——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------。(5)-n=-2x(n-1)zn=-
