微波在亚波长等离子体层中传输特性研究

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1、博士学位论文微波在亚波长等离子体层中传输特性研究STUDIESONMICROWAVEPROPAGATIONCHARACTERISTICSINSUBWAVELENGTHPLASMALAYERS孔繁荣哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：O531学校代码：10213国际图书分类号：533密级：公开工学博士学位论文微波在亚波长等离子体层中传输特性研究博士研究生：孔繁荣导师：江滨浩教授申请学位：工学博士学科：电工理论与新技术所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O531U.D.C:533Dis

2、sertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDIESONMICROWAVEPROPAGATIONCHARACTERISTICSINSUBWAVELENGTHPLASMALAYERSCandidate：KongFanrongSupervisor：Prof.JiangBinhaoAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ElectricalengineeringtheoryandnewtechnologyAffiliation：Schoolofelectri

3、calengineeringandautomationDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要等离子体作为一种特殊的电磁介质，其电磁参数（如介电常数、折射率等）不仅具有宽频带、连续可调特性，而且可以通过外施条件变化实现其电磁介质性质的根本性改变（如外加磁场导致介电常数各向异性、等离子体密度连续改变导致介电常数由正变负等）。因此，等离子体对电磁波传输性质的影响和对电磁辐射信号的调制作用及其应用一直是电磁理论与技术、信息科学技术及等离子体物理研

4、究的重要前沿。亚波长等离子体结构对电磁波的调制、增强效应是电磁波与等离子体相互作用这一经典课题的一个新兴领域。本文围绕吉赫兹波段微波在亚波长等离子体层中的传输特性，基于微波收发端与亚波长等离子体层的相对位置关系，即亚波长等离子体层近场包覆发射天线、亚波长等离子体层近场包覆接收天线以及亚波长等离子体层位于收发天线远场区，分别研究了对应的三类典型问题：亚波长等离子体层对发射信号的近场调制特性、亚波长等离子体层对接收信号的近场调制特性，以及亚波长等离子体层与微波的远场相互作用研究。围绕亚波长等离子体层近场调制发射信号这一关键科学技术问题，本文通过实验研究与数值仿真相结合的

5、方法，研究了亚波长等离子体层近场调制增强发射天线辐射特性，明确了亚波长等离子体层关键参数对微波信号增强效应的影响和作用规律，揭示了调制机理并提出有效的实验调控手段。在实验方面，探索了亚波长等离子体层调制增强天线辐射技术在实际领域的应用扩展：发展了一种可增强发射信号电磁辐射的亚波长等离子体调制技术，成功地将该技术原有增强频段从0.6GHz扩展到通信常用的L波段，实现了~1GHz波段微波信号约10dB的有效增强；并对亚波长等离子体调制增强天线的空间辐射特性、阻抗匹配特性、有效增益带宽和信道特性等开展了系统性的实验研究。在此基础上，基于相关数值仿真模型，进一步分析了亚波长

6、等离子体增强微波辐射的调制机理，研究了非均匀等离子密度分布下的调制规律和增强特性，并对再入飞行器鞘套等离子体密度分布下的天线调制特性和有效增益窗口进行了分析。上述工作为研发可较大幅度提高天线电磁辐射增益的关键技术提供了科学依据。本文围绕亚波长等离子体薄层对接收信号的近场调制研究，提出了亚波长等离子体层近场增强微波接收信号的技术手段和调制方法，通过实验研究发现了亚波长等离子体层近场调制微波接收信号的增强效应，并给出了基本调制特性和调制规律。在此基础上，建立了相应的数值仿真模型，进一步分析了基于亚波长等离子体关键参数（等离子体密度、等离子体层厚度、等离子体碰撞频-I-哈

7、尔滨工业大学工学博士学位论文率、有效相对距离）对接收信号调制增强规律，比较了亚波长等离子体调制层加载的天线系统和同尺寸金属天线的电磁散射特性及接收效率，并基于局域表面等离子体激元理论分析了亚波长等离子体近场调制增强微波接收信号的机理和规律。对于亚波长等离子体层与微波的远场相互作用研究，本文采用多通道级联电弧等离子体源产生并模拟目标等离子体环境，诊断分析了等离子体特征参数，并在此基础上进一步实验研究了远场微波信号在高密度等离子体束流中的传输特性，比较分析了关键等离子体参数对于微波远场传输特性的影响规律。本文进一步采用适用于研究亚波长等离子体中远场电磁波传输问题的物