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，國外前期很熱門，后來沉寂了很長一段時間，感覺沒有什么新的成果出來，不知道是不是因為保密的原因。國內(nèi)的研究比較零散，斷斷續(xù)續(xù)的，很多大學和研究結(jié)構都在關注這個項目，畢竟軍事價值比較大。最早是成都那邊，后來南大，東南大學，中科大，北航和中科院等很多學校都在一些文獻上發(fā)表了文章。 
 
       要研究等離子體天線，首先要對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的準中性物質(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，對固體輸入一定的能量，通俗方法是加熱，分子間的結(jié)構被破壞，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，此時物體就為等離子體。 
 
      根據(jù)定義，等離子體有幾個要求。 
     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，這樣金屬的導電率才比較高。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有中性粒子的存在了。 
 
     第二，集約效應。簡單來講就是屏蔽。同金屬一樣，對外界的電磁場進行反應，生成感應電壓，電流，可以屏蔽掉外面的信號，使得內(nèi)部電場為零。想象一下，如果空間里面只有孤零零的幾個電子，離子，相隔也很遠，這時候有電磁場過來，每個粒子相互不受影響，各自運動。這時候也不能稱為等離子體。 
 
    第三，準中性的。很好理解，就是電子和離子數(shù)目大約相同。 
 
     其實很難對等離子體下一個完整的精確的定義，這只是一個比較簡單的描述，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。 
      對氣體加入能量，進行電離，里面就會有自由電子，如果自由電子濃度高到一定程度時，就會呈現(xiàn)出某些導體的性能了，比如反射電磁波�？梢苑瓷潆姶挪ê螅�就可以具有天線的功能了。 
 
      以一段氣體柱為例，電磁波過來，完全穿透，無反射，無吸收，不具有任何天線效應。 
      部分電離后，電磁波過來，反射很少，大部分穿透，部分被等離子體吸收。 
      繼續(xù)電離，電磁波過來，反射很大，部分吸收，極少部分穿透。 
      繼續(xù)電離，電磁波過來，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。當然第二種情況，因為吸收電磁波，也可以研究等離子體隱身了。

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其實了解天線最好的方法就是把電動力學學好。天線教材中一般對物理方面講解的很少，在推導公式時，很多近似的適用條件都是默認的，不仔細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，對推導過程都是一掠而過。這會導致很多概念上的問題，對天線的各個參數(shù)了解不夠透徹。 
 
   對等離子體天線而言，這點顯得尤其重要。要了解等離子體天線與金屬天線的不同，從理論上來講，就必須從麥克斯韋方程得到它自己的公式，同時金屬天線理論發(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，這就必須從最基本的方程開始著手，才能得到比較正確的結(jié)論。如果不管三七二十一，找一個金屬天線的公式，將某些等離子體參數(shù)帶入進去，算出一個值來，就說等離子體天線的參數(shù)如何如何，這顯然是不科學的。

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樓主言之有理~~說實話現(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，說明一下等離子體天線與金屬天線在公式推導中的不同和相同之處。 
 
   對天線而言，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。電流分布嚴格說是三維的，但對金屬或高密度等離子體而言，趨膚深度很小很�。ㄌ貏e是在金屬中），對波長而言，可以忽略，因此一般認為天線電流就是表面電流了。 
 
    天線的表面電流如何求解？ 當然是從麥克斯韋方程組，結(jié)合天線的邊界條件接解了。可能你覺得這比較簡單，實際這是非常非常困難的，哪怕對形狀極其簡單的天線，進行精確的求解也幾乎是不可能的�？赡芎芏嗳擞X得疑惑，不太可能吧，看書上的公式也很簡單啊。但要知道，那是經(jīng)過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等等。表面電流分布公式為I(z) = I0 * sin(k(l-z))又有些人認為這很合理啊，底部電流幅度最大，頂端電流為零，但這些近似會有很多矛盾的結(jié)果，比如阻抗，輸入阻抗應該等于歐姆阻抗加上輻射阻抗，歐姆阻抗對應天線熱效應損失的能量，輻射阻抗就是輻射出去的能量。但如果說波矢在天線表面分布處處相同，波幅又不變的話，那就是沒有歐姆損失了。 
 
    金屬天線的表面電流分布在絕大部分情況下還是比較準確的，但等離子體天線情況又如何呢？對等離子體天線必須額外的考慮幾點： 
1）趨膚深度。對金屬趨膚深度都很小，銅，鐵等雖然電導率不一樣，但算出來結(jié)果，是波長的10的負20次方，還是10的負30次方，對參數(shù)幾乎沒有影響。對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。對金屬天線來說，介質(zhì)在存在區(qū)域內(nèi)密度是一致的，可以認為波矢不受介質(zhì)的影響，處處相同。等離子體則不同，如何激勵等離子體也是個比較復雜的問題，基本上不太可能使得整個區(qū)域的等離子體密度處處相同。等離子體密度不同，宏觀上的電導率等各個參數(shù)也大不相同，因此波矢大小也不會一樣。 
     當電磁波在空間傳播時，當物質(zhì)在空間上參數(shù)發(fā)生改變時，波矢就會相應改變。 同樣道理當物質(zhì)在時間上改變時，頻率也會不同。通俗的來講，電磁波在不同介質(zhì)中傳播的波矢不一樣，在時變介質(zhì)中頻率會不同。 
     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。為簡單起見，假定等離子體密度處處相同，并且不隨時間變化，這樣可以處理一些簡單的情況。 這種假定有它的合理性，在假定達到動態(tài)平衡條件下，可以認為等離子體密度不隨時間變化。在激勵功率很大，認為等離子體密度處處相同，或者密度梯度很小，對計算結(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計從固態(tài)的跳到了等離子態(tài)的設計了？中間會不會需要液態(tài)和氣態(tài)過渡一下，如果說氣態(tài)不導電沒戲的話，液態(tài)應該還是有發(fā)展的空間吧，比如用汞來設計天線。

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因為等離子體是氣體，想象一下，一段氣體柱，不工作的時候，就是一些氣體，對電磁波沒有反射，別人根本無法探測到你的存在，絕對的隱身啊。 
當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（不導電） 對于短波天線，重量可不是在一個數(shù)量級上的。

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重量確實是一個很大的問題，隱身是等離子天線很大的誘惑啊，呵呵

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對金屬而言，一旦材料確定，本身的參數(shù)就不能改變了，如電導率等等。 
但等離子體不一樣，它受外界因素影響很大，比如說激勵功率的大小。當激勵功率比較小時，電離度不高，電導率不大，但激勵功率比較大時，電導率增加。因此它的參數(shù)都是隨時可變的。 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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比如說你設計好一個等離子體天線，理論，實驗都能確定很多個工作狀態(tài)，要在各個狀態(tài)之間切換時，就會很方便了。

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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，有推導在柱形天線中，波矢大小的公式�？梢詤⒖祭锩娴倪^程，不過在做近似的時候，按照等離子體的處理方式，金屬中能夠忽略的項，等離子體中不能忽略。 
        在一般冷等離子體下，可以簡化很多。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，因此可以認為是一個與氣體氣壓，種類有關的常數(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，所以又稱等離子體是色散介質(zhì)。 
      分析一下這個公式，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)，電磁波完全穿透過去了，無反射和吸收。如果等離子體中自由電子很多，等離子體頻率遠大于入射波頻率和碰撞頻率，那么介電常數(shù)遠小于0，電磁波完全反射。在看一下碰撞頻率lamda，如果lamda很大，那么最后計算時會發(fā)現(xiàn)波矢虛部很大，表示吸收很多。這也是很好理解的，因為碰撞對應著熱損耗。 
 
         以簡單的線天線為例，簡化后，等離子體中電場z方向，磁場threta方向，柱坐標下，由麥克斯韋方程，邊界條件可以得到一個含有零階，一階的一類和二類貝塞爾函數(shù)的復數(shù)方程。邊界條件為，在等離子體中間（r=0)時，電場有限，邊界r=a時，電場連續(xù)，r=無窮大時有限。寫起來比較復雜，一些參考資料上有。 
        求解這個方程是比較困難的，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系。 
                   等離子體半徑與表面電流分布的關系 
                   等離子體碰撞頻率與表面電流分布的關系 
                    
           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系。 
 
           當然最后這些所有的結(jié)果，都需要同金屬天線進行對比，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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