等离子体天线色散关系和辐射场数值计算

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1、第(%卷第/期"##8年/月物理学报CDE’(%，BD’/，@06F0GH03，"##8!###9&"/#:"##8:(（%#/）:("/$9#%;<=;>,?@A<;@ABA<;""##8IKL’@DM’!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!等离子体天线色散关系和辐射场数值计算!）"）!）!）赵国伟徐跃民陈诚!）（中国科学院空间科学与应用研究中心，北京!###$#）"）（中国科学院研究生院，北京!###$#）（"##%年!#月!!日收到；"##

2、%年!!月&#日收到修改稿）研究了电磁波沿轴向对称柱形等离子体天线传播的特性、色散关系及辐射方向图、增益等天线参数’通过对腔体材料介电系数、内外半径、等离子体密度、碰撞频率等参数的分析，结果表明要减小波沿等离子体天线传播的衰减，应当增加等离子体密度，减小碰撞频率，增加等离子体半径，减小腔体厚度，采用介电系数较小的材料’计算了在不同参数条件下，等离子体天线的辐射方向图、增益的变化，这些结果对于等离子体天线的设计很有参考价值’关键词：等离子体天线，色散关系，增益，辐射方向图!"##：(""(，(")#，("%(，!&)#系是基于等离子体和真空模型得

3、到的，而实际等离!*引言子体外面的一层腔体约束材料没有提及，本文在模型中加入腔体材料，研究了材料内、外半径、介电系等离子体作为物质的第四态，已经广泛应用于数对电磁波色散关系、等离子体天线的辐射方向图、各个领域中’在军事上，等离子体技术可以应用于飞增益等天线参数的影响’行器隐身、推进器、通信、探测等方面，而在天线中，如果等离子体密度高，信号频率不能穿透等离子体，"*柱形等离子体色散关系趋肤深度很小，与金属天线类似，会沿着柱形等离子体传播，即利用等离子体的导电性能做等离子体天如图!所示，认为等离子体密度均匀，外面是等线，由于它的反射、吸收电磁波特性

4、，同时又具有了离子体腔体约束材料，它内半径为!，外半径为"隐身能力’!，最外层是自由空间’电磁场时间变化为01!$，!#国内外对电磁波在柱形等离子体中传播的研究为电磁波频率，在柱坐标系下，从麦克斯韦方程得到［!—!)］也很多，在低气压条件下，利用几十+,-到"&"&"!!!&’!!’!’!.,-［!(—!/］的射频信号可以从单极产生高密度、低温%(%)2""2"2"#3$3&’4#，!%!%%!"!’(等离子体’等离子体天线概念的提出，这方面研究也（!）［%—!!］逐渐增多，内容主要是集中于等离子体天线激其中(为自由空间中光速，#，为介质相对电

5、导3$3励原理、特性、实验等综述性方面的讨论，而关于色系数和磁导系数’对于非磁化冷等离子体，介电系数散关系和辐射方向图等具体参数、问题的求解和分"!60［"，!!］为#34!5，!60为等离子体频率，%为碰析很少’赵国伟等讨论了不同等离子体密度在!（!5%1）轴向密度均匀和不均匀情况下，等离子体天线辐射撞频率’因为是轴向对称等离子体，认为电磁场和角方向图、增益、阻抗等参数的变化，但色散模型中没度"无关，得到5&’有加入腔体材料，没有考虑介质管对辐射方向图、增&’，)4［*)+（#&)%）2,)-（#&)%）］0，（"）益等天线参数的影响’"""

6、!其中+，-是贝塞尔函数，&)45(&2"#3$)3))，等离子体天线不同于金属天线，需要一个约束(腔体，腔体不仅仅能够约束等离子体的范围，同时还*)，,)为常系数，&4’21(为电磁波传播波矢，实具有防腐蚀、氧化等功能，类似于金属天线的天线部’和虚部为衰减和相位系数’(［"，%，$，/，!!］罩，但参考文献中普遍用的等离子体色散关考虑到%4#，%427时有限，所以模型中电3期赵国伟等：等离子体天线色散关系和辐射场数值计算,(33&’&%&&*；（0）-#$.，’$#%!"+"，’"[%(’)（!!’%）]$，!’%1&*+（2）（’，*，,，

7、/，0，2）式由%"&，%"&边界连续条件可得’*图!柱形等离子体模型#!$（#!!&’）场为"［#($（#!(&’）)(()（#!(&’）］，（3）!"#$（!%）$%!"，［#($（#!(&*）)(()（#!(&*）］"，!!#!#&%&&（’等离子体中）；（’）"(’)（#!’&*），（!#）!"［#$（!%）)()（!%）］$%!"，-#$.，!$#"，((#((#(#!$（!!!&’）!!&’&%&&*，（约束介质中）；（*）%!"-#$.，($#$（!&）%(-#$.，($#)（!&），!"，’"(’)（#!’%）$，"[#(!(’

8、(!(’]!(!(%&&（*自由空间中）+（,）（!!）角向磁场由麦克斯韦方程可得-#$.，($#-#$.，($#[#($（!!(&*）%(()（!!