非均匀等离子体中电磁波传播特性的仿真及实验研究

论文摘要

等离子体作为一种特殊的介质,其各项参数会随着外界条件而发生变化,具有许多独特的性质,因此不论是在民用还是军用领域,等离子体都有着广泛的应用。由于实际应用中的等离子体往往都是时变非均匀的,会对电磁波产生吸收、折射、散射等物理现象。而含有尘埃颗粒的时变尘埃等离子体与电磁波的相互作用,对于探究再入过程中通信中断现象具有重要的实际应用价值。本文将从数值仿真和实验两方面,对非均匀时变等离子体中的电磁波传播特性进行了系统的研究,所开展的具体工作如下:建立了一维非均匀时变等离子体电磁波传播特性的DI-FDTD算法。在谐振腔模型中,研究了非均匀时变等离子体中微波频段的传播特性。通过不同频段的仿真,发现了非均匀时变等离子体的频率漂移现象。分析了非均匀时变等离子体的产生速度以及电磁波频率对频率漂移量的影响。结果表明:产生非均匀时变等离子体后,谐振腔中产生了新的谐振频率,且非均匀时变等离子体产生的速度越快,频率漂移量越大;在非均匀时变等离子体产生速度相同的情况下,入射波的频率越低,频率漂移量越大。开展了非均匀时变等离子体与电磁波相互作用的仿真以及实验研究。仿真结果中,等离子体时变周期与第一旁瓣的位置相符合。在等离子体时变周期相同的情况下,调制强度与频率成反比,即等离子体对电磁波幅度的调制强度会随着电磁波频率的上升而下降。在稳态放电等离子体透射实验中,得到了等离子体对不同频段电磁波的衰减特性以及放电气压不同时对电磁波的衰减特性。在非均匀时变等离子体透射实验中,验证了等离子体对电磁波幅相调制的作用,证明了仿真结果的正确性。运用了SO-FDTD方法研究非均匀时变尘埃等离子体参数对电磁波传输特性的影响。计算了不同尘埃等离子体参数:尘埃粒子浓度,尘埃粒子半径,电子密度,电子密度的变化速率对电磁波在非均匀时变尘埃等离子体中传播特性的影响。结果表明:非均匀时变尘埃等离子体中尘埃浓度和尘埃半径对电磁波传播特性略有影响,而最大电子密度和电子密度的变化速率对电磁波的传播特性有较大的影响。此外,随着入射波频率的增大,尘埃等离子体中各个参数对电磁波传播的影响会有所减弱,同时也会减小整个尘埃等离子体层对电磁波能量的吸收作用,加强电磁波穿透等离子体层的能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本论文的主要工作及结构安排
•   1.4 本章小结
• 第二章 非均匀时变等离子体的DI-FDTD算法
•   2.1 FDTD算法的基本原理
•   2.2 吸收边界以及连接边界条件
•   2.3 一维非均匀时变等离子体的DI-FDTD算法
•   2.4 算例验证
•   2.5 本章小结
• 第三章 非均匀时变等离子体的传播特性分析
•   3.1 非均匀时变等离子体中电磁波的频率漂移特性
•   3.2 非均匀时变等离子体与电磁波的相互作用
•   3.3 非均匀时变等离子体实验
•   3.4 本章小结
• 第四章 非均匀时变尘埃等离子体的传播特性分析
•   4.1 非均匀时变尘埃等离子体的SO-FDTD算法
•     4.1.1 弱碰撞全电离尘埃等离子体的介电系数
•     4.1.2 一维非均匀时变尘埃等离子体的SO-FDTD算法
•     4.1.3 物理计算模型
•     4.1.4 算例验证
•   4.2 非均匀时变尘埃等离子体的电磁波传播特性
•     4.2.1 不同等离子体对电磁波传播特性的影响
•     4.2.2 尘埃粒子对电磁波传播特性的影响
•     4.2.3 等离子体参数对电磁波传播特性的影响
•   4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 工作总结
•   5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周碧雪

导师: 杨利霞

关键词: 时域有限差分算法,非均匀等离子体,频率漂移,尘埃粒子

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学

单位: 江苏大学

分类号: TN011;O53

DOI: 10.27170/d.cnki.gjsuu.2019.000061

总页数: 66

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