关于等离子体隐形技术的浅析
关于等离子体隐形技术的浅析
一、引言所谓等离子体的隐形技术，就是通过电磁波与等离子体的相互作用，利用等离子体对电磁波的反射、折射、吸收、变频等，将电磁波能量衰减，改变电磁波的传播相角，乃至是电磁波产生绕射，从而达到隐形效果。本文在理论上从等离子体对电磁波功率的吸收作用方面进行探讨、分析。所取的电磁波频段为现役雷达的频率范围（0.5~10GHz），等离子体中的电子与中性气体的碰撞频率为0.1GHz~10GHZ
一、引言 所谓等离子体的隐形技术，就是通过电磁 波与等离子体的相互作用，利用等离子体对电 磁波的反射、折射、吸收、变频等，将电磁波 能量衰减，改变电磁波的传播相角，乃至是电 磁波产生绕射，从而达到隐形效果。 本文在理论上从等离子体对电磁波功率的 吸收作用方面进行探讨、分析。所取的电磁波 频段为现役雷达的频率范围（0.5∽10GHz）， 等离子体中的电子与中性气体的碰撞频率为 0.1GHz∽10GHz
二、电磁波与均匀非磁化等离子体的相互作用1. 基本理论首先给出电磁波在均匀非磁化等离子体中的麦克斯韦方程组V·D=OD=86,E(1)aBVxE(2)Ot(3)V.B=0B=L.HaD(4)VxH二at
参考书目: 1、等离子体物理学导论 F•F•CHEN 中国科学技术大学(四系教材) 2、电磁波在等离子体中的传播 [苏]:B•JI•金兹堡 科学出版社 3、等离子体物理原理 马腾才、胡希伟、陈银华著 中国科学技术大学出版社1988 4、电磁场与电磁波 谢处方、饶克谨著 高等教育出版社1999.6月第二版 5、电磁波与等离子体的相互作用 孙爱萍、李丽琼、邱孝明、董玉英著 6、电磁场、电磁能和电磁波 [美]:L•M•玛奇德著 高等教育出版社1882.12月第一版 7、未来制造业和加工也中的等离子体 邱孝明 (3) (2) (1) 二、电磁波与均匀非磁化等离子体的相互作用 1．基本理论 首先给出电磁波在均匀非磁化等离子体中的麦 克斯韦方程组
对方程组中式（2）求旋度，并利用式（4）得：aBaVxB)αVxH)Vx(VxE)=-VX-=一ubaaOEaD-0000LloataaV·E=O，得利用矢量分析式，并考虑V×(V×E) =V.(V×E)-VE=-V?E可得到电磁波在均匀非磁化等离子体中的传播方程OE=ro(5)at2
对方程组中式（2）求旋度，并利用式（4）得： 利用矢量分析式，并考虑 • E = 0 ，得 ∴可得到电磁波在均匀非磁化等离子体中的传播方程
由于电磁波的一般解都可以用平面波分量的傅立叶积分来展开，这里仅以平面电磁波与等离子体的相互作用为例假设电磁波沿X轴正向传播，则：i=~-1(6)E=E.expijo t-rx式中の为电磁波的角频率；r为传播常数，有式（5）和式（6）可解出电磁波在均匀非磁化等离子体中的色散关系为(7)c为光速A82C由传播常数0(8)=α+iB8C0得：(9)aBR(10 )二
由于 电 磁 波 的一般解 都可以用平面波分量的傅立叶积分 来展开，这里仅以平面电磁波与等离子体的相互作用为例， 假设电磁波沿X轴正向传播，则： 式中 为电磁波的角频率； 为传播常数，有式（5）和式 （6）可解出电磁波在均匀非磁化等离子体中的色散关系为： 由传播常数 得：
上式中α为衰减系数；β为相位常数。下面分析等离子体的介电常数εr由于在等离子体中，中性气体的密度远大于等离子体密度因此可以忽略电子与离子的碰撞，另外离子的质量远大于电子的质量，可以忽略其运动，仅考虑电子的运动对于一团电子气来说，电子的移动相当于产生一个极化强度P，它等于单位体积中的电偶极矩：P=-ner =xE(11)式中为电极化率，现在要求和E的关系，故引用郎之万方程：（en为电子与中性气体的碰撞频率）(12)nr=-eEmr+mvenOrの为电磁波频率=-10at1(13)-のr-jovenr=-me
上式中 为衰减系数； 为相位常数。 下面分析等离子体的介电常数 ： 由于在等离子体中，中性气体的密度远大于等离子体密度， 因此可以忽略电子与离子的碰撞，另外离子的质量远大于电子 的质量，可以忽略其运动，仅考虑电子的运动。 对于一团电子气来说，电子的移动相当于产生一个极化强 度 ，它等于单位体积中的电偶极矩： 式中 为电极化率，现在要求 和 的关系，故引用 郎之万方程：( 为电子与中性气体的碰撞频率） r 为电磁波频率
8得E(14)m(の+i1en)将式（14）代入式（11）得ne(15)m.o(o +iyey而有等离子体频率：4元ne0Pm(16)=1+4元×82Q0QPen7(17)=18r+1一00X十enen
将式（14）代入式（11）得 而有等离子体频率：
假设电磁波在真空中的传播功率为P。经真空与等离子体界面进入到等离子体内的功率为P，被界面反射的功率为P由于均匀等离子体的密度不变，对于一定频率的入射波，介电常数不变，因此在等离子体内部不存在反射电磁波在交界面上的反射功率满足下式(18)P.1+/通过界面进入等离子体介质内的电磁波功率为：(19)P =P-P传播到任一位置人的波的功率为(20)P(x)=P exp/-2α x
假设电磁波在真空中的传播功率为 经真空与等离子体界 面进入到等离子体内的功率为 ，被界面反射的功率为 。 由于均匀等离子体的密度不变，对于一定频率的入射波，介电 常数不变，因此在等离子体内部不存在反射。 电磁波在交界面上的反射功率满足下式： 通过界面进入等离子体介质内的电磁波功率为： 传播到任一位置 的波的功率为：
假设等离子体厚度为d，则电磁波经等离子体衰变后在x d处透射出去的功率：P, = P, exp /-2αd(21)因此电磁波被等离子体吸收的功率为：(22 )PP二
假设等离子体厚度为 ，则电磁波经等离子体衰变后在 处透射出去的功率： 因此电磁波被等离子体吸收的功率为：
计算参数：电磁波频率在现役雷达工作频段中取值(fm = 0.5, 1.0, 2.0,3.0,4.0,5.0, 6.0,7.0,8.0GH2)等离子体密度取 n=101℃cm-3,10llcm-3即丁，= 0.9,2.8GHz碰撞频率取 fen=0.1,0.5,1.0,5.0,10.0GHz等离子体厚度取d =10cm
计算参数： 电磁波频率在现役雷达工作频段中取值 ( ) ; 等离子体密度取 ， 即 ; 碰撞频率取 ; 等离子体厚度取