太赫兹波在等离子鞘套中的传播-论文.pdf

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1、空间电子技术10SPACEELECTROMCTECHN0DGY2013年第4期太赫兹波在等离子鞘套中的传播①刘丰，刘江凡，宫晨蓉，席晓莉(1．中国空间技术研究院西安分院，西安710000；2．西安理工大学，西安710048)摘要：文章介绍了平面波斜入射到不均匀非磁化等离子体时的散射矩阵方法，并用这种方法分析了等离子鞘套中太赫兹信号的传播特性；计算了鞘套的反射，透射与群时延。计算结果表明，在低碰撞频率时。鞘套的高通特性显著，随着碰撞频率的增加，鞘套的反射与透射系数随频率的变化趋于缓和；总体上等离子体的入射波频率的增加，有利于电磁波的透射。关键词：

2、电太赫兹；散射矩阵法；等离子鞘套；透射系数D0I：10．3969／j．issn．1674-7135．2013．04．003O引言1一OJp,m=航天器进人大气层时经历的黑障现象严重威胁l∞～7)其中，是第m层的等离子体频率，是碰撞频率，任务安全，未来空天飞行器有望以10倍以上音速穿．行于临近空间，也会面I临等离子鞘阻断测控通信的是入射平面波频率。第m层的传播常数可表示难题。为：依据电磁理论，高频段电磁波有望以较低的损k)-一C’耗穿透等离子鞘套，从而突破黑障。其中．c为自由卒间中的光涑等离子鞘为一动态流体层，研究太赫兹波在其中传输特性时，鞘套为

3、一个电大尺寸环境，可将介质进行分层，利用散射矩阵方法求解太赫兹波的传输特性。1散射矩阵方法散射矩阵方法(SMM)是求解电磁波在分层介质中传播的一种解析方法J，可用于计算不同入射角条件下等离子体中电波传播的反射与透射系图1散射矩阵模型SMM数。等离子鞘可近似考虑为非均匀、碰撞、非磁化的假设人射波为TMz波，人射区域的入射场与反等离子体]，为方便分析，将其近似为二维平面分层射场表达式如下：结构。：Eo(。c。咖”si嗍(1)设等离子鞘分为n层，第m层的电子密度、厚度和总厚度分别记为：(m)、d，dp。当电磁波斜入赢=象in6}0一cos删⋯⋯(2)

4、射时，等离子体模型如图1所示，设每一层均有沿：AE。⋯s忡i(3)．i}和．iI二两方向传播的波，入射区域(0)和透射区域(P)为不同介质，设入射波的时间依赖性为。云=E0^in+6}o⋯一)第m层等离子体的复介电常数可表示为：(4)①收稿日期：2013-08-21；修回日期：2013—10．15。×2013年第4期刘丰，等：太赫兹波在等离子鞘套中的传播第m层的电场和磁场司表不为：．s()=。。(15=BmE0-jk(m)(xcos％m’(5)一BE0^其中，S=(ⅡS)S为总散射矩阵。=一~cos0．)e删⋯)将S用列向量表示为S=(SSg2

5、)，代入式(6)(15)可得最终反射系数A与透射系数D的计算公Em=CmEoge-jk(m)(-xcosOm+inOm(7)式：cE0^=+ycos0~⋯一(A。)=一(Js一)-lgJs(16)类似的，平行极化波可推出相应公式。(8)最后一个区域只有透射波．表示如下：2数值位真结果分析E=DEo三e’‘。03i“(9)设入射波为垂直极化波，且垂直射入等离子鞘。—‘DPT-='T0L"=sin一ycos0p)e‘Op+ysinOp(1O)等离子鞘厚度d。=10mm，电子密度：一P2×19m(等离子体频率=40．2GHz)。不同电子(E，E一)和

6、(日，日一)分别是波在k和k一方碰撞频率下等离子体鞘套对信号的反射、透射与群向传播的电场和磁场向量。oo、0、分别是波在0、时延的影响如图2所示。m、p层的行进方向与轴之间的角度。、y、z分别为x,y和。方向的单位向量。z是第m层等离子体的波阻抗。定义B和C是第m层的复散射系粤籁1j{s数，、D为总的反射与透射系数。摇根据切向场分量在第m层分界面的连续性可得：s毪)(a)反射系数幅度其中，S是第m层边界的散射矩阵，则：'jk(m)dmco~k(m)dmco~mmes雩～一⋯)⋯㈩k(m-1)dmeo~m_l杂蝌’一一。—一kern-1)cosO

7、l)／~一1(12)(b)透射系数幅度_㈡(A)，：骂在z=处：⋯⋯(gD(14)ll其中，j{＼●=羞二)o(e1)透射系数相位12空间电子技术2013年第4期3结论等离子鞘导致的黑障现象是实现高速飞行器无中断测控通信必须解决的问题。提高通信频段到太赫兹波段，可明显减小在波穿透等离子鞘套时的衰减量，且可以相比传统无线电载荷获得明显的体积质量功耗优势。(d)群时延随频率的变化参考文献：图2厚度却=10mm，电子密度Ne=2×19m[1]Bin—JieH，GangW，Sheng—LiL．SMManalysisofreflec—(等离子体频率彦=4

8、0．2GHz)时，不同电子tion，absorption，andtransmissionfromnonuniformmag—碰撞频率下信号经过等离子体