高功率微波在低电离层中传输特性分析

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1、第17卷第8期强激光与粒子束Vol.17,No.82005年8月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSAug.,2005文章编号:100124322(2005)08212392043高功率微波在低电离层中传输特性分析112,111侯德亭,邹伟,周东方,余道杰,杨建宏(1.解放军信息工程大学理学院,河南郑州450002;2.浙江大学信息科学与工程学院,浙江杭州310000)摘要:高功率微波在大气中传输有一个衰减较大的高度,在这一高度,微波的强电场容易使大气电离形成等离子体,从而引起较大的非线性衰

2、减,极端情况下会产生大气击穿。在低电离层(50～100km),自然电离产生的电子浓度较高。主要研究高功率微波在低电离层的传输衰减特性。计算表明,在50km高空,非线性吸收衰减最大,该高度也是最容易产生击穿的地方。在同样的电场强度下,脉宽越窄,衰减系数越小,衰减越小。在低电离层区间内,大气压强越小,吸收越小。关键词:电离层;电离频率;非线性衰减;衰减系数中图分类号:TN011文献标识码:A高功率微波在电离层中的传输是HPM大气传输的主要内容之一。若在地面发射高功率微波,经过长距离的空间扩散和大气衰减,微波强度一般都比

3、较小,难以达到理想效果。为保证上行的微波功率密度,一是可以加大微波源的输出功率,二是采用高功率微波发射阵列。在现阶段,由于脉冲源技术、发射装置以及大气击穿的限制,单个HPM源的输出功率还不能随意提高。若采用合适的高功率微波阵列,就有望突破这一局限。[1～3]对HPM在对流层中大气的传输,已有不少文献进行过研究。高功率微波在大气中传输存在一个易感层高度,在这一高度,微波的强电场易使大气电离形成等离子体,从而引起较大的非线性衰减,极端情况下会产生大气击穿。计算表明,对L波段,对脉冲宽度为50ns的高功率微波,在大气压为

4、0.6×133.3Pa时(约50[4]km高空)容易引起击穿。在低电离层(50～100km),自然电离产生的电子浓度较高,大的高功率微波阵列在此区间汇聚,可能会在该高度产生较大的能流密度,本文主要研究高功率微波在这一区间的传输衰减特性。1电离产生的吸收衰减[5]对非磁化碰撞的等离子体,等效介电常数为εe=εr-ε′r。由Appleton2Hartree(A2H)公式可推出22ωpνmωpεr=1-22,ε′r=22(1)ω+νmωω+νm-1/21/2式中:ωp=e(mε0)Ne是电子密度为Ne的等离子体频率;νm

5、是碰撞频率;ω是微波频率。强微波产生的等离子体的传播常数是一个复函数,具有以下形式ωk=k0εe=εe=kr-jki(2)c式中:k0=ω/c是自由空间的波数,而kr,ki分别为波数的实部和虚部,求解(2)式得到1ω1/2k2′2i=εr+εr-εr=α2c(3)1ω1/22′2kr=εr+εr+εr=β2c式中:α表示波通过吸收介质时场的衰减系数;β表示电磁波的相位传播速率。电波在电离层中的折射指数n和衰减系数α可分别表示为22221/2ωpωωp2νmωp2ωp(4)n=1-ω22,α=(1-22)+(22)-

6、(1-22)+νm2cω+νmωω+νmω+νm利用Ey=E0exp[-(αx+jβx)]可以计算HPM传输路径中各点的场强,x为传输距离。3收稿日期:2004210208;修订日期:2005205208基金项目:国家863计划项目资助课题作者简介:侯德亭(1963—),男,副教授,从事高功率微波研究;郑州2201信箱160分箱。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.1240强激光与粒子束第17卷2HPM在低电离层传输时的非线性

7、衰减计算自由电子在HPM作用下被加速到极高的速度,电子和中性粒子的碰撞频率与外加等效电场、大气压强[6](或大气粒子的密度)和电子的速率等因素有关,一般采用的经验公式为8νm3.24×10(Ee/p)Ee=,30≤≤54p1+0.04(Ee/p)p8νm2.93×10(Ee/p)Ee=,54≤≤120(5)p1+0.041(Ee/p)pνm81/2Ee=5.2×10(Ee/p),120≤≤3000pp式中:p=760exp(-h/H)为大气压强(133.3Pa);h是大气高度;H为均值大气高度,平均值为7km;Ee

8、为微波的等效电场强度,它与电场强度幅值Em的关系为2EmνmEe=22(6)2ω+νm如果碰撞前电子获得的能量大于中性粒子的离化能,那么电子与中性粒子的碰撞将使粒子电离出新的电子,微波电场足够强,新的电子又被电场加速并与中性粒子发生离化碰撞而引起雪崩电离。电离频率的经验经[6]验公式为νiEe7208pEe=1.32+0.054()×10exp-,30≤≤5