等离子体鞘套中三波相互作用下电磁传播特性研究

• 作 者: 武晓南
• 机 构: 哈尔滨工业大学
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 黑障通信 等离子体鞘套 非线性效应 调频信号

超高速飞行器进入临近空间大气时,等离子体鞘套周围的黑障现象,造成电磁波发生衰减使通信信号中断。为了减缓或消除黑障现象,国内外在注入亲电子材料、外加磁场、飞行器设计和提高频段等四个方面开展了大量工作,但受工程技术的约束无法形成实用的方案。另一方面,等离子体鞘套中的参量易受电磁场影响,即使是弱电磁场作用下,也会产生非线性效应。等离子体鞘套中的非线性效应,为解决黑障问题实现通信提供了新的思路。本文从等离子体鞘套中电磁波传播特性、非线性作用和调频信号传输特性三个方面,对利用非线性效应解决黑障现象做了初步的探索。首先建立了介电常数模型,推导了电磁波的衰减系数和相位因子表达式,仿真模拟了载波和调频信号在等离子体鞘套中衰减的规律,并进一步推导了电磁波的基本方程。结果表明,电磁波频率与等离子体相比较低时,入射波发生严重的衰减。其次,从电磁波入射等离子体鞘套后的场方程出发,对非线性作用的理论机制进行了探讨。从电磁场基本方程出发,仿真模拟了入射波和斯托克斯波在等离子体鞘套中的传输波形。此外,对等离子体鞘套的密度分布作了改进,分析了抛物分布和双指数分布对非线性三波相互作用的影响。研究表明,双指数密度分布下,由非线性作用产生的新频散射波波更易被飞行器接收。最后,仿真模拟了等离子体鞘套中调频信号波的传输波形。推导了能流密度的表达式,分析了非线性过程中入射波和非线性新频波的功率变化。研究表明,当选用基带频率为2 MHz,最大频差为200 KHz的调频信号时,电磁波的传输仅考虑固定的振幅衰减。通过本文的研究表明,电磁波与等离子体鞘套的非线性效应,可以激发新频的电磁模态,并通过对信号调制作用实现信息的传输。