資源描述：
《高功率微波在低電離層中傳輸特性分析》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、第17卷第8期強(qiáng)激光與粒子束Vol.17,No.82005年8月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSAug.,2005文章編號(hào):100124322(2005)08212392043高功率微波在低電離層中傳輸特性分析112,111侯德亭,鄒偉,周東方,余道杰,楊建宏(1.解放軍信息工程大學(xué)理學(xué)院,河南鄭州450002;2.浙江大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江杭州310000)摘要:高功率微波在大氣中傳輸有一個(gè)衰減較大的高度,在這一高度,微波的強(qiáng)電場(chǎng)容易使大氣電離形成等離子體,從而引起較大的非線性衰
2、減,極端情況下會(huì)產(chǎn)生大氣擊穿。在低電離層(50～100km),自然電離產(chǎn)生的電子濃度較高。主要研究高功率微波在低電離層的傳輸衰減特性。計(jì)算表明,在50km高空,非線性吸收衰減最大,該高度也是最容易產(chǎn)生擊穿的地方。在同樣的電場(chǎng)強(qiáng)度下,脈寬越窄,衰減系數(shù)越小,衰減越小。在低電離層區(qū)間內(nèi),大氣壓強(qiáng)越小,吸收越小。關(guān)鍵詞:電離層;電離頻率;非線性衰減;衰減系數(shù)中圖分類號(hào):TN011文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A高功率微波在電離層中的傳輸是HPM大氣傳輸?shù)闹饕獌?nèi)容之一。若在地面發(fā)射高功率微波,經(jīng)過長距離的空間擴(kuò)散和大氣衰減,微波強(qiáng)度一般都比
3、較小,難以達(dá)到理想效果。為保證上行的微波功率密度,一是可以加大微波源的輸出功率,二是采用高功率微波發(fā)射陣列。在現(xiàn)階段,由于脈沖源技術(shù)、發(fā)射裝置以及大氣擊穿的限制,單個(gè)HPM源的輸出功率還不能隨意提高。若采用合適的高功率微波陣列,就有望突破這一局限。[1～3]對(duì)HPM在對(duì)流層中大氣的傳輸,已有不少文獻(xiàn)進(jìn)行過研究。高功率微波在大氣中傳輸存在一個(gè)易感層高度,在這一高度,微波的強(qiáng)電場(chǎng)易使大氣電離形成等離子體,從而引起較大的非線性衰減,極端情況下會(huì)產(chǎn)生大氣擊穿。計(jì)算表明,對(duì)L波段,對(duì)脈沖寬度為50ns的高功率微波,在大氣壓為
4、0.6×133.3Pa時(shí)(約50[4]km高空)容易引起擊穿。在低電離層(50～100km),自然電離產(chǎn)生的電子濃度較高,大的高功率微波陣列在此區(qū)間匯聚,可能會(huì)在該高度產(chǎn)生較大的能流密度,本文主要研究高功率微波在這一區(qū)間的傳輸衰減特性。1電離產(chǎn)生的吸收衰減[5]對(duì)非磁化碰撞的等離子體,等效介電常數(shù)為εe=εr-ε′r。由Appleton2Hartree(A2H)公式可推出22ωpνmωpεr=1-22,ε′r=22(1)ω+νmωω+νm-1/21/2式中:ωp=e(mε0)Ne是電子密度為Ne的等離子體頻率;νm
5、是碰撞頻率;ω是微波頻率。強(qiáng)微波產(chǎn)生的等離子體的傳播常數(shù)是一個(gè)復(fù)函數(shù),具有以下形式ωk=k0εe=εe=kr-jki(2)c式中:k0=ω/c是自由空間的波數(shù),而kr,ki分別為波數(shù)的實(shí)部和虛部,求解(2)式得到1ω1/2k2′2i=εr+εr-εr=α2c(3)1ω1/22′2kr=εr+εr+εr=β2c式中:α表示波通過吸收介質(zhì)時(shí)場(chǎng)的衰減系數(shù);β表示電磁波的相位傳播速率。電波在電離層中的折射指數(shù)n和衰減系數(shù)α可分別表示為22221/2ωpωωp2νmωp2ωp(4)n=1-ω22,α=(1-22)+(22)-
6、(1-22)+νm2cω+νmωω+νmω+νm利用Ey=E0exp[-(αx+jβx)]可以計(jì)算HPM傳輸路徑中各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng),x為傳輸距離。3收稿日期:2004210208;修訂日期:2005205208基金項(xiàng)目:國家863計(jì)劃項(xiàng)目資助課題作者簡介:侯德亭(1963—),男,副教授,從事高功率微波研究;鄭州2201信箱160分箱。?1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.1240強(qiáng)激光與粒子束第17卷2HPM在低電離層傳輸時(shí)的非線性
7、衰減計(jì)算自由電子在HPM作用下被加速到極高的速度,電子和中性粒子的碰撞頻率與外加等效電場(chǎng)、大氣壓強(qiáng)[6](或大氣粒子的密度)和電子的速率等因素有關(guān),一般采用的經(jīng)驗(yàn)公式為8νm3.24×10(Ee/p)Ee=,30≤≤54p1+0.04(Ee/p)p8νm2.93×10(Ee/p)Ee=,54≤≤120(5)p1+0.041(Ee/p)pνm81/2Ee=5.2×10(Ee/p),120≤≤3000pp式中:p=760exp(-h/H)為大氣壓強(qiáng)(133.3Pa);h是大氣高度;H為均值大氣高度,平均值為7km;Ee
8、為微波的等效電場(chǎng)強(qiáng)度,它與電場(chǎng)強(qiáng)度幅值Em的關(guān)系為2EmνmEe=22(6)2ω+νm如果碰撞前電子獲得的能量大于中性粒子的離化能,那么電子與中性粒子的碰撞將使粒子電離出新的電子,微波電場(chǎng)足夠強(qiáng),新的電子又被電場(chǎng)加速并與中性粒子發(fā)生離化碰撞而引起雪崩電離。電離頻率的經(jīng)驗(yàn)經(jīng)[6]驗(yàn)公式為νiEe7208pEe=1.32+0.054()×10exp-,30≤≤5
