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柱形等离子体天线的基本原理、天线中谐波与非线性效应研究

赵国伟  
【摘要】: 射频激励产生高密度的柱形等离子体,利用等离子体特性,当电磁波频率远小于等离子体频率时,柱形等离子体能够象金属一样反射电磁波,具有天线的性能,因此可以利用这个特点进行通信。 研究射频激励柱形等离子体要涉及到包括理论、实验、数值计算、数据采集等多方面的内容,根据工作进度安排,分为:(1)激励等离子体电路的匹配、柱形等离子体密度分布理论计算、等离子体密度的实验测量、分析与数值模拟;(2)柱形等离子体色散关系的理论推导求解、柱形等离子体天线参数的求解;(3)电磁场与等离子体FDTD计算。 经过上面几个方面的研究,能够初步的建立柱形等离子体理论模型。根据理论、数值计算、模拟以及实验结果,得到了以下结果: (1)计算激励柱形等离子体在不同频率下的电离阻抗值,进行功率耦合匹配; (2)由柱形等离子体表面波色散关系,得到腔体内外半径、材料等参数在不同等离子体密度情况下对波矢的影响,对腔体提出了一定要求; (3)由色散关系、电磁场在等离子体中传播,同时考虑等离子体激励过程,得到了等离子体密度随时间、功率、激励频率、碰撞频率、气体电离阈值等参数变化趋势,以及稳定状态下等离子体密度的分布; (4)根据天线理论推导了等离子体天线参数的公式,包括辐射方向图、增益、辐射阻抗等参数,并与实验结果进行对比; (5)电磁场与等离子体相互作用的FDTD数值模拟,计算电磁场在等离子体中的入射、吸收、透射等,同时考虑等离子体密度受外界电磁场的影响,得到射频激励等离子体的多次谐波和调制波等非线性现象,与实验测量进行比较; (6)编写LabView进行仪器驱动,能够完成包括Agilent、RS、Tek、Keithley等多家公司包括频谱仪、网络分析仪、示波器、功率计等仪器驱动程序编写,实现自动化数据采集与数据库存储。


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