利用矢量網(wǎng)絡(luò)微波測試系統(tǒng)測量了單層柱狀等離子體陣列對2~18GHz微波的透射衰減，分析了微波極化方向、等離子體密度、陣列中的單元間距等因素對微波衰減的影響。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)對TM波的衰減大于對TE波的衰減；對TM波的作用頻段約為2~10GHz，而對TE波僅為2~7GHz；在作用頻段內(nèi)，增大電子密度、減小單元間距均可以在整體上改善對微波的透射衰減。

　　等離子體對微波的傳輸會產(chǎn)生一定的影響，而等離子體及其參數(shù)的空間分布是決定影響大小的重要因素。在通過實驗方法研究等離子體對微波傳輸?shù)挠绊憰r，往往由于所產(chǎn)生的等離子體的空間分布無法控制，而導(dǎo)致無法系統(tǒng)地開展這項研究。

　　本文采用多個圓柱形腔體來約束等離子體，可以很方便地控制等離子體的參數(shù)，并通過對腔體適當(dāng)?shù)呐帕薪M合控制等離子體在空間的分布。論文首先交代了所采用的單個柱狀等離子體的參數(shù)特征，然后通過矢量網(wǎng)絡(luò)微波測試系統(tǒng)測量了單層等離子體陣列對微波的透射衰減，分析了微波極化方向、等離子體密度、陣列中的單元間距等各種因素對微波衰減的影響。

1、放電單元特征及實驗圖示

　　本文采用圓柱形放電腔通過高頻放電產(chǎn)生柱狀等離子體。為保證測量得到穩(wěn)定的透射衰減曲線，放電單元產(chǎn)生的等離子體要具有良好的穩(wěn)定性。通過實驗分析，采用直徑d=2.5cm、長度l=60cm、填充某混合氣體且氣壓為p的放電管，在現(xiàn)有實驗條件下，當(dāng)放電管兩端加上高頻交流電壓，且放電頻率為f時，其腔體產(chǎn)生的等離子體具有很好的穩(wěn)定性，其中放電管放電回路外加交流200V電壓，高頻放電頻率在千赫茲量級。采用等離子體雙頻點診斷理論得到其產(chǎn)生的等離子體電子密度在10¹⁷m-3、碰撞頻率在10⁹Hz數(shù)量級上。

　　將放電單元并行排列可形成單層等離子體陳列，其透射衰減測量實驗裝置如圖1所示，圖中，喇叭天線對準等離子體柱陣列中間位置。實驗測量的微波頻率范圍為2~18GHz，具體采用了兩對喇叭天線，其測量頻率范圍分別在2~18GHz和8~18GHz，測量得到的透射衰減數(shù)據(jù)為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21參數(shù)。

　　利用上述矢量網(wǎng)絡(luò)微波測試系統(tǒng)可以測量單層等離子體陣列在不同條件下對微波的衰減情況，下面分別從入射波的極化方向、等離子體電子密度Ne、等離子體間距三個角度分析實驗結(jié)果。

圖1單層等離子體柱陣列透射衰減測量系統(tǒng)

2、實驗結(jié)果分析

　　2.1、極化方向的影響

　　圖2為TM、TE波穿過單層等離子體柱陣列的透射衰減隨入射波頻率的變化曲線。兩種極化波極化方向如圖1所示。從圖2中可以看出，單層等離子體柱陣列對TM波的衰減明顯大于對TE波的衰減，特別在圖2(b)中313GHz處相差近5dB；陣列結(jié)構(gòu)在對入射波頻率大于7GHz時對TE波已基本沒有衰減，而對于TM波則明顯超過此頻點；同時，對比圖2(a)、(b)；等離子體柱間距從0cm增大到2.5cm時，衰減整體減小，TE波的衰減作用頻段明顯向低頻移動。

　　這里，等離子體對TM波衰減較大，可能是因為存在線性模轉(zhuǎn)換共振吸收造成的。因為，對于單根等離子體柱，其本身的密度沿徑向呈一階貝塞爾函數(shù)分布，即在徑向上呈現(xiàn)梯度分布，從而導(dǎo)致單層圓柱等離子體陣列在徑向上的電子密度呈現(xiàn)周期性變化，這樣，由于TM波中的E矢量平行等離子體柱徑向，即平行于密度梯度，從而符合線性模轉(zhuǎn)換共振吸收的條件。

圖2 單層等離子體柱陣列對不同極化波的透射衰減

　　2.2、電子密度的影響

　　圖3為等離子體電子密度分別為1×10¹⁷，2×10¹⁷m-3時TM波的透射衰減隨入射波頻率的變化曲線，圖中，電子密度Ne的標注省略單位(m-3)。從圖中可以看出，等離子體電子密度增大，透射衰減整體增大，且在2~10GHz基本都有2~4dB的衰減增加；從圖3(a)、(b)可以明顯看出，密度增大，衰減峰值略向高頻移動。從圖3(b)可以看出，當(dāng)頻率高于10GHz時，等離子體柱陣列對TM波基本沒有衰減作用，即使增大電子密度也沒有多少改善。因而，單層等離子體柱陣列對TM波的作用頻段基本在2~10GHz，在此頻段，可以通過調(diào)節(jié)電子密度改變柱陣列對電磁波的透射衰減。

圖3 單層等離子體柱陣列不同電子密度時的透射衰減

　　增大電子密度會增大對入射波的透射衰減，這在理論上可解釋如下：電子密度增大，等離子體對入射能量的反射和吸收均會增強，相應(yīng)地，透射能量減小，因而，透射衰減效果得到改善。

　　2.3、柱間距的影響

　　圖4為等離子體柱間距分別為0，2.5cm時對TM波的透射衰減隨入射波頻率的變化曲線。從圖中可以看出，在2~10GHz頻率范圍內(nèi)，隨等離子體柱間距增大，透射衰減曲線整體上升，衰減減小，在圖4(c)、(d)中可以看出，衰減峰值位置略向低頻移動。同時，由圖可以看出，當(dāng)頻率大于10GHz時，等離子體柱陣列幾乎沒有衰減作用，間距改變幾乎沒有影響。間距變化對透射衰減的影響可理解為：當(dāng)間距增大，等離子體對入射能量的反射和吸收減少，透射能量增大，因而在曲線表現(xiàn)出衰減曲線的整體上移。

圖4 單層等離子體柱陣列不同間距時的透射衰減

3、結(jié)論

　　綜合以上實驗結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

　　(1)單層等離子體柱陣列對TM波的透射衰減大于TE波，且對TM波的作用頻段在2~10GHz，而對TE波的作用頻段僅為2~7GHz。

　　(2)在單層陣列結(jié)構(gòu)對微波的作用頻段內(nèi)，調(diào)節(jié)電子密度可以改變等離子體陣列對微波的透射衰減，且電子密度增大時衰減峰值略向高頻移動。

　　(3)在單層陣列結(jié)構(gòu)對微波的作用頻段內(nèi)，隨著單元間距的增大，透射衰減是整體減小的，且衰減峰值位置向低頻移動，即間距的增大不利于透射衰減。

　　以上結(jié)論為進一步研究圓柱等離子體陣列的微波傳輸特性奠定的基礎(chǔ)，下一步將開展研究多層陣列結(jié)構(gòu)對微波透射衰減傳輸特性的影響以及陳列結(jié)構(gòu)遮蔽目標時對微波回波傳輸特性的影響。