等離子體天線理論研究

       等離子體天線的研究前前后后有二十多年了，國(guó)外前期很熱門(mén)，后來(lái)沉寂了很長(zhǎng)一段時(shí)間，感覺(jué)沒(méi)有什么新的成果出來(lái)，不知道是不是因?yàn)楸Ｃ艿脑颉?guó)內(nèi)的研究比較零散，斷斷續(xù)續(xù)的，很多大學(xué)和研究結(jié)構(gòu)都在關(guān)注這個(gè)項(xiàng)目，畢竟軍事價(jià)值比較大。最早是成都那邊，后來(lái)南大，東南大學(xué)，中科大，北航和中科院等很多學(xué)校都在一些文獻(xiàn)上發(fā)表了文章。 
 
       要研究等離子體天線，首先要對(duì)等離子體有一定的了解。所謂等離子體，就是由電子，離子和中性粒子組成的具有集約效應(yīng)的準(zhǔn)中性物質(zhì)。是屬于物質(zhì)的第四態(tài)，廣泛存在于太空中，實(shí)際上在外太空中，99%以上都是以等離子體狀態(tài)存在的。 
 
       大家都知道，對(duì)固體輸入一定的能量，通俗方法是加熱，分子間的結(jié)構(gòu)被破壞，但分子間距離保持不變，因此宏觀上物理的形狀改變，一般體積不會(huì)變化太大，形成液體。繼續(xù)加能量（加熱），分子能量繼續(xù)增大，脫離距離的約束，宏觀是體積變大，形狀任意，形成了氣體。對(duì)氣體繼續(xù)加能量，分子中的電子能量變大，脫離原子核的束縛，成為自由電子，此時(shí)物體就為等離子體。 
 
      根據(jù)定義，等離子體有幾個(gè)要求。 
     第一是由電子，離子，中性粒子組成的。首先有自由電子，離子的存在，使得它的一些屬性與金屬等同。大家都知道金屬里面都是自由電子和離子，自由電子在里面自由移動(dòng)，這樣金屬的導(dǎo)電率才比較高。按照電離程度分為部分電離，完全電離。在部分電離的情況下就會(huì)有中性粒子的存在了。 
 
     第二，集約效應(yīng)。簡(jiǎn)單來(lái)講就是屏蔽。同金屬一樣，對(duì)外界的電磁場(chǎng)進(jìn)行反應(yīng)，生成感應(yīng)電壓，電流，可以屏蔽掉外面的信號(hào)，使得內(nèi)部電場(chǎng)為零。想象一下，如果空間里面只有孤零零的幾個(gè)電子，離子，相隔也很遠(yuǎn)，這時(shí)候有電磁場(chǎng)過(guò)來(lái)，每個(gè)粒子相互不受影響，各自運(yùn)動(dòng)。這時(shí)候也不能稱(chēng)為等離子體。 
 
    第三，準(zhǔn)中性的。很好理解，就是電子和離子數(shù)目大約相同。 
 
     其實(shí)很難對(duì)等離子體下一個(gè)完整的精確的定義，這只是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的描述，在大部分情況下可以適用。 
 
     了解完等離子體后，我們就可以解釋一下什么是等離子體天線了。 
      對(duì)氣體加入能量，進(jìn)行電離，里面就會(huì)有自由電子，如果自由電子濃度高到一定程度時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)出某些導(dǎo)體的性能了，比如反射電磁波�？梢苑瓷潆姶挪ê�，就可以具有天線的功能了。 
 
      以一段氣體柱為例，電磁波過(guò)來(lái)，完全穿透，無(wú)反射，無(wú)吸收，不具有任何天線效應(yīng)。 
      部分電離后，電磁波過(guò)來(lái)，反射很少，大部分穿透，部分被等離子體吸收。 
      繼續(xù)電離，電磁波過(guò)來(lái)，反射很大，部分吸收，極少部分穿透。 
      繼續(xù)電離，電磁波過(guò)來(lái)，絕大部分反射，極少吸收。 
 
      可以看出，只有在后兩種情況下，等離子體作為天線才有意義。當(dāng)然第二種情況，因?yàn)槲针姶挪ǎ部梢匝芯康入x子體隱身了。

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其實(shí)了解天線最好的方法就是把電動(dòng)力學(xué)學(xué)好。天線教材中一般對(duì)物理方面講解的很少，在推導(dǎo)公式時(shí)，很多近似的適用條件都是默認(rèn)的，不仔細(xì)推敲可能都不是很了解，而且很多人只是記住了最后的公式，對(duì)推導(dǎo)過(guò)程都是一掠而過(guò)。這會(huì)導(dǎo)致很多概念上的問(wèn)題，對(duì)天線的各個(gè)參數(shù)了解不夠透徹。 
 
   對(duì)等離子體天線而言，這點(diǎn)顯得尤其重要。要了解等離子體天線與金屬天線的不同，從理論上來(lái)講，就必須從麥克斯韋方程得到它自己的公式，同時(shí)金屬天線理論發(fā)展近百年，很多方面已經(jīng)很成熟了，各種條件下的近似，結(jié)果，理論，實(shí)踐參數(shù)等等，等離子體天線都可以鑒戒。如果把兩者有效的結(jié)合起來(lái)，這就必須從最基本的方程開(kāi)始著手，才能得到比較正確的結(jié)論。如果不管三七二十一，找一個(gè)金屬天線的公式，將某些等離子體參數(shù)帶入進(jìn)去，算出一個(gè)值來(lái)，就說(shuō)等離子體天線的參數(shù)如何如何，這顯然是不科學(xué)的。

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樓主言之有理~~說(shuō)實(shí)話(huà)現(xiàn)在比較浮躁，理論的東西看看就看不下去了……期待樓主的金玉良言哈

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天線參數(shù)有很多，如輻射方向圖，增益，效率，輸入阻抗，極化方向等等。以天線輻射方向圖為例，說(shuō)明一下等離子體天線與金屬天線在公式推導(dǎo)中的不同和相同之處。 
 
   對(duì)天線而言，不管金屬天線，等離子體天線，只要知道了電流分布，基本上就可以知道各種天線參數(shù)了。電流分布嚴(yán)格說(shuō)是三維的，但對(duì)金屬或高密度等離子體而言，趨膚深度很小很小（特別是在金屬中），對(duì)波長(zhǎng)而言，可以忽略，因此一般認(rèn)為天線電流就是表面電流了。 
 
    天線的表面電流如何求解？ 當(dāng)然是從麥克斯韋方程組，結(jié)合天線的邊界條件接解了�？赡苣阌X(jué)得這比較簡(jiǎn)單，實(shí)際這是非常非常困難的，哪怕對(duì)形狀極其簡(jiǎn)單的天線，進(jìn)行精確的求解也幾乎是不可能的�？赡芎芏嗳擞X(jué)得疑惑，不太可能吧，看書(shū)上的公式也很簡(jiǎn)單啊。但要知道，那是經(jīng)過(guò)很多的近似才得到的結(jié)果。比如，電磁波在金屬表面?zhèn)鞑サ牟ㄊ复笮∨c真空中相同，不考慮天線的頂端效應(yīng)等等。表面電流分布公式為I(z) = I0 * sin(k(l-z))又有些人認(rèn)為這很合理啊，底部電流幅度最大，頂端電流為零，但這些近似會(huì)有很多矛盾的結(jié)果，比如阻抗，輸入阻抗應(yīng)該等于歐姆阻抗加上輻射阻抗，歐姆阻抗對(duì)應(yīng)天線熱效應(yīng)損失的能量，輻射阻抗就是輻射出去的能量。但如果說(shuō)波矢在天線表面分布處處相同，波幅又不變的話(huà)，那就是沒(méi)有歐姆損失了。 
 
    金屬天線的表面電流分布在絕大部分情況下還是比較準(zhǔn)確的，但等離子體天線情況又如何呢？對(duì)等離子體天線必須額外的考慮幾點(diǎn)： 
1）趨膚深度。對(duì)金屬趨膚深度都很小，銅，鐵等雖然電導(dǎo)率不一樣，但算出來(lái)結(jié)果，是波長(zhǎng)的10的負(fù)20次方，還是10的負(fù)30次方，對(duì)參數(shù)幾乎沒(méi)有影響。對(duì)等離子體天線不能得到這樣的結(jié)果，必須考慮等離子體的電子密度，電子溫度，碰撞頻率等等參數(shù)。 
2）波矢在天線表面的分布。對(duì)金屬天線來(lái)說(shuō)，介質(zhì)在存在區(qū)域內(nèi)密度是一致的，可以認(rèn)為波矢不受介質(zhì)的影響，處處相同。等離子體則不同，如何激勵(lì)等離子體也是個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，基本上不太可能使得整個(gè)區(qū)域的等離子體密度處處相同。等離子體密度不同，宏觀上的電導(dǎo)率等各個(gè)參數(shù)也大不相同，因此波矢大小也不會(huì)一樣。 
     當(dāng)電磁波在空間傳播時(shí)，當(dāng)物質(zhì)在空間上參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，波矢就會(huì)相應(yīng)改變。 同樣道理當(dāng)物質(zhì)在時(shí)間上改變時(shí)，頻率也會(huì)不同。通俗的來(lái)講，電磁波在不同介質(zhì)中傳播的波矢不一樣，在時(shí)變介質(zhì)中頻率會(huì)不同。 
     等離子體的狀態(tài)不可能同金屬一樣，是一成不變的，因此很難得到波矢在等離子體天線的表面分布。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假定等離子體密度處處相同，并且不隨時(shí)間變化，這樣可以處理一些簡(jiǎn)單的情況。 這種假定有它的合理性，在假定達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡條件下，可以認(rèn)為等離子體密度不隨時(shí)間變化。在激勵(lì)功率很大，認(rèn)為等離子體密度處處相同，或者密度梯度很小，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，這也是合理的。 
    

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我瞎想了一下，既然物質(zhì)形態(tài)是由固態(tài)到液態(tài)到氣態(tài)到等離子態(tài)（vice versa），咋我們一下就將天線設(shè)計(jì)從固態(tài)的跳到了等離子態(tài)的設(shè)計(jì)了？中間會(huì)不會(huì)需要液態(tài)和氣態(tài)過(guò)渡一下，如果說(shuō)氣態(tài)不導(dǎo)電沒(méi)戲的話(huà)，液態(tài)應(yīng)該還是有發(fā)展的空間吧，比如用汞來(lái)設(shè)計(jì)天線。

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因?yàn)榈入x子體是氣體，想象一下，一段氣體柱，不工作的時(shí)候，就是一些氣體，對(duì)電磁波沒(méi)有反射，別人根本無(wú)法探測(cè)到你的存在，絕對(duì)的隱身啊。 
當(dāng)然要有很多自由電子，這樣才能發(fā)射電磁波，天線才有好的方向性。 
如果用汞做天線，性能不一定好，而且想想要多重啊。 
氣體加上外面的介質(zhì)腔體（不導(dǎo)電） 對(duì)于短波天線，重量可不是在一個(gè)數(shù)量級(jí)上的。

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重量確實(shí)是一個(gè)很大的問(wèn)題，隱身是等離子天線很大的誘惑啊，呵呵

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對(duì)金屬而言，一旦材料確定，本身的參數(shù)就不能改變了，如電導(dǎo)率等等。 
但等離子體不一樣，它受外界因素影響很大，比如說(shuō)激勵(lì)功率的大小。當(dāng)激勵(lì)功率比較小時(shí)，電離度不高，電導(dǎo)率不大，但激勵(lì)功率比較大時(shí)，電導(dǎo)率增加。因此它的參數(shù)都是隨時(shí)可變的。 所以這些都直接影響到天線的輻射方向圖，增益，阻抗等等參數(shù)。

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比如說(shuō)你設(shè)計(jì)好一個(gè)等離子體天線，理論，實(shí)驗(yàn)都能確定很多個(gè)工作狀態(tài)，要在各個(gè)狀態(tài)之間切換時(shí)，就會(huì)很方便了。

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     等離子體中波矢的求解 
 
      一般的金屬天線公式中的波矢大小都是k0，也就是真空中的波矢大小，介質(zhì)天線除外。 等離子體中波矢不能使用這種近似，必須根據(jù)方程重新求解。記得有一本天線的書(shū)，有推導(dǎo)在柱形天線中，波矢大小的公式�？梢詤⒖祭锩娴倪^(guò)程，不過(guò)在做近似的時(shí)候，按照等離子體的處理方式，金屬中能夠忽略的項(xiàng)，等離子體中不能忽略。 
        在一般冷等離子體下，可以簡(jiǎn)化很多。冷等離子體就是電子溫度不高，電離度比較低，電子的碰撞主要是和中性粒子的碰撞，因此可以認(rèn)為是一個(gè)與氣體氣壓，種類(lèi)有關(guān)的常數(shù)。介電常數(shù)epsonr = epson0*(1 - wpe^2/w(w+i*lamda))，其中wpe是等離子體頻率，w是入射電磁波頻率，lamda是碰撞頻率。從公式中可以看出介電常數(shù)與入射波頻率有關(guān)，所以又稱(chēng)等離子體是色散介質(zhì)。 
      分析一下這個(gè)公式，如果等離子體中自由電子很少，等離子體頻率很小，后面那一項(xiàng)幾乎為零，所以介電常數(shù)等于真空中的介電常數(shù)，電磁波完全穿透過(guò)去了，無(wú)反射和吸收。如果等離子體中自由電子很多，等離子體頻率遠(yuǎn)大于入射波頻率和碰撞頻率，那么介電常數(shù)遠(yuǎn)小于0，電磁波完全反射。在看一下碰撞頻率lamda，如果lamda很大，那么最后計(jì)算時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)波矢虛部很大，表示吸收很多。這也是很好理解的，因?yàn)榕鲎矊?duì)應(yīng)著熱損耗。 
 
         以簡(jiǎn)單的線天線為例，簡(jiǎn)化后，等離子體中電場(chǎng)z方向，磁場(chǎng)threta方向，柱坐標(biāo)下，由麥克斯韋方程，邊界條件可以得到一個(gè)含有零階，一階的一類(lèi)和二類(lèi)貝塞爾函數(shù)的復(fù)數(shù)方程。邊界條件為，在等離子體中間（r=0)時(shí)，電場(chǎng)有限，邊界r=a時(shí)，電場(chǎng)連續(xù)，r=無(wú)窮大時(shí)有限。寫(xiě)起來(lái)比較復(fù)雜，一些參考資料上有。 
        求解這個(gè)方程是比較困難的，在某些情況下，用matlab可以得到一些解。得到波矢后，就可以分析等離子體天線表面電流分布與等離子體參數(shù)之間的關(guān)系了。 
   一般有：固定入射電磁波頻率的前提下分析： 
                   等離子體密度與表面電流分布的關(guān)系。 
                   等離子體半徑與表面電流分布的關(guān)系 
                   等離子體碰撞頻率與表面電流分布的關(guān)系 
                    
           或者固定等離子體參數(shù)分析： 
                  入射電磁波頻率與表面電流分布的關(guān)系。 
 
           當(dāng)然最后這些所有的結(jié)果，都需要同金屬天線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)哪些是相同的，哪些是不同的，原因也很容易找到。

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