CN111370849A - 一种分析电磁波传输特性的方法及微等离子体结构单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分析电磁波传输特性的方法及微等离子体结构单元，该方法利用宽频可变微等离子体超材料分析电磁波传输特性，包含以下步骤：S1，电磁波的输入信号由矢量网络分析仪发出；S2，电磁波的输入信号经过第一天线入射到微等离子体结构单元内，形成接收信号；接收信号由第二天线返回至矢量网络分析仪，获取得到电磁波在微等离子体结构单元中的传输特性；其中，微等离子体结构单元包含阵列式10×10根等离子体管，控制所述等离子体管的放电状态，以获得微等离子体结构单元在不同工作方式下的电磁波的传输特性。本发明提利用阵列式微等离子体结构单元，实现等离子体超材料的动态特性演化，可以实现电磁波的人工特定调制。

Description

一种分析电磁波传输特性的方法及微等离子体结构单元

技术领域

本发明涉及超材料结构设计技术，具体涉及一种分析电磁波传输特性的方法及微等离子体结构单元。

背景技术

超材料是一种由周期性电介质或者金属结构组成的人造材料，可实现电磁波的滤波、反射、定向引导以及聚焦等常规材料难以做到的功能。超材料概念于1997年首次被提出，尽管研究的时间较短，但其在科研和工程领域的作用日渐重要。作为电磁波传输的载体，超材料因其具有功能性结构以及小于传输电磁波波长的空间周期性结构而表现出异常的特性。这些特殊性质具体表现为：负介电常数、负磁导率以及负折射率。而随着超材料技术的不断发展，各个波长范围内超材料器件被设计和加工，实现了对电磁波控制功能。此时的超材料隐身技术着重于涂层、结构以及材料的设计优化，可以实现窄波段优异的电磁传输性能，但是一旦超材料被设计加工出来，很难再去进行改进和调整，并不适用于多变复杂的电磁环境。

等离子体是一种特殊的介电材料，其中的自由电子会与电磁波相互响应，进而导致电磁波的反射、折射或吸收。利用等离子体进行超材料设计具有吸波频带宽、几乎不改变目标外形、等离子体产生和消失可调节等优点，可作为发展新型隐身技术及抗干扰技术等信息对抗技术的新方向，因此，发展宽频可变等离子体超材料及电磁波调控技术具有重要的学术价值和应用价值。

目前，电磁波和等离子体相互作用的理论体系着重于低密度等离子体中的无线电波的理论研究；以等离子体诊断为目的的理论主要是研究微波在一些密度相对较低的等离子体中的传输特性，在等离子体超材料与电磁波相互作用和调控机制方面，缺少深入系统的研究。因此，等离子体可作为超材料中的共振元件或光子晶体中的散射元件，提供了实现电磁波的宽频可变人工调制的可能性。文献“Plasmas as meta-materials:areview.Plasma Sources Science and Technology,2012,21(1):013001”，将人工等离子体或基于等离子体的特殊结构看成一种超材料，引入“等离子体超材料”的概念。研究人员利用电介质板和金属固态继电器组成的超材料结构单元插入氩气填充波导中实现等离子体超材料，并利用具有一定周期结构的等离子体单元结构实现材料属性的变化，进而改变了电磁波的传播规律。但是这种方法由于等离子体产生条件的限制，对于电磁波调控的范围十分有限，并不能实现电磁波宽频范围的调控。文献“Atunable microwave plasmaphotonic crystal filter[J].Applied Physics Letters,2015,107171107”，利用等离子体替代传统光子晶体单元材料，使气体等离子体元件集成到腔体结构中，研究了等离子体密度对电磁波传输特性的影响，同时，该团队利用空间二维等离子体阵列实现微波范围4.5GHz～5.5GHz的吸收带隙。文献“1维3元磁化等离子体光子晶体传输特性分析.激光技术,2012,(02):208-212”，针对一维三元磁化等离子体光子晶体传输特性进行研究，结果表明改变介电常数、介质层厚度和等离子体频率可以实现对禁带数目和宽度的调谐，改变周期数和等离子体碰撞频率不能影响禁带带宽。

专利文献CN101694558A公开了一种用于太赫兹波调制的超材料结构，利用上、下表面光栅层和中心介质层的交界面激发出的表面等离子体波，与入射的太赫兹波的方向耦合特性来调制太赫兹波的振幅和相位变化。当太赫兹波入射到上述超材料表面后，部分光会被超材料反射，部分光会透射过超材料，并且会在上、下表面光栅层和中心介质层的交界面会激发产生表面等离子体波，由于表面等离子体波和入射的太赫兹波均具有方向性，利用入射的太赫兹波与表面等离子体波的方向祸合特性，通过入射的太赫兹波的电场方向与光栅的晶格矢量方向的夹角来调制太赫兹波的振幅和相位变化。由于表面等离子体波始终在增强太赫兹波的透射，因而拓宽了调制器对太赫兹波的调制范围。该发明对于太赫兹波段电磁波具有一定的调制作用，但是由于材料限制以及太赫兹波的特殊性，无法实现更宽范围的电磁波的调制作用。

专利文献CN102017404A公开了一种通过扩展复合左右手超材料的基本单元改变超材料结构，从而实现滤波器设计技术及滤波器功能。该结构设计利用左右手超材料的复合，实现一定范围电磁波的低穿透性，从而实现滤波器功能。但由于左右手材料制备过程复杂且材料稳定性的限制，对于电磁波调制的范围有限。

目前针对各种复杂超材料调制宽频电磁波及其调控机制依然存在较多问题：1)超材料的形成机理问题，具体表现为电磁流体动力学中的随机过程耦合在电磁波传播的振幅/相位特性中，其规律和作用机制尚不明确。2)电磁波在超材料中传输的影响机制尚不明确，这是由于普通超材料是一种有损耗的复杂介质，且其内部结构存在非平稳时变随机性，严重影响了电磁波在其中的传输特性。3)超材料的电磁波传输的调控机制影响因素问题，除了受材料本身特性的影响，还与材料生长环境及测试条件有关，调控机制需要经过相应实验手段进行验证。

现代战争中，对作战平台的隐身特性和抗干扰能力的要求越来越高，瓦解敌方的战场感知能力是获得胜利的关键。随着各种新型探测系统和精确制导武器的相继问世，实现战场军事装备隐身化的技术措施越来越多，相应针对隐身武器的探测手段也不断完善，隐身技术的发展正面临巨大挑战，目前隐身技术受限于无法实现全局全波段可控隐身。近年来大力发展的超材料技术为电磁隐身技术提供了全新的方向，但目前设计的超材料对于电磁波作用的频段很窄，制备成本高，很难实现宽频电磁波的控制。面对日渐复杂的战场环境和作战需求，目前还没有能够完全实现宽频段可变电磁超材料及相关电磁波调控技术，其已经成为限制下一代隐身及抗干扰技术的关键因素。

利用等离子体进行超材料设计具有吸波频带宽、几乎不改变目标外形、等离子体产生和消失可调节等优点，可作为发展新型隐身技术及抗干扰技术等信息对抗技术的新方向，因此，本发明提出一种分析电磁波传输特性的方法及微等离子体结构单元。

发明内容

本发明的目的是提供一种分析电磁波传输特性的方法及微等离子体结构单元，微等离子体结构单元是一种具有一定周期性结构的等离子体阵列，其主要通过改变等离子体阵列单元的电子密度、碰撞频率以及时空分布来实现等离子体超材料的动态特性演化，实现电磁波的人工特定调制。

为了达到上述目的，本发明提供了一种分析电磁波传输特性的方法，所述的方法利用宽频可变微等离子体超材料分析电磁波传输特性，所述的方法包含以下步骤：S1，电磁波的输入信号由矢量网络分析仪发出；S2，所述的电磁波的输入信号经过第一天线入射到微等离子体结构单元内，形成接收信号；所述的接收信号由第二天线返回至所述的矢量网络分析仪，获取得到所述的电磁波在微等离子体结构单元中的传输特性；其中，所述的微等离子体结构单元包含阵列式10×10根等离子体管，控制所述等离子体管的放电状态，以获得所述的微等离子体结构单元在不同工作方式下的电磁波的传输特性。

较佳地，步骤S2具体包含：

S2.1，使所述的10×10根等离子体管不工作，电磁波为全透射状态，得到电磁波的传输状态1；使所述的10×10根等离子体管全部工作，得到电磁波的传输状态2；

S2.2，使所述的电磁波的输入信号经过三种微等离子体结构单元的工作方式；所述的三种微等离子体结构单元的工作方式包括：中空式、周期式和缺陷式；

所述的中空式包括：取所述的微等离子体结构单元中心4×4根等离子体管为一组，当电磁波通过所述的微等离子体结构单元时，中心4×4根等离子体管呈现不放电状态，得到电磁波的传输状态3，关闭全部等离子体管，然后打开中心4×4根等离子体管呈现放电状态，再记录电磁波的传输状态4；

所述的周期式包括：水平方向每隔一行等离子体管为一组，打开同一组等离子体管，记录电磁波传输状态5；垂直方向每隔一行等离子体管为一组，打开同一组等离子体管，记录电磁波传输状态6；

所述的缺陷式包括：在所述的微等离子体结构单元中随机选取2×2根等离子体管，并以所述的微等离子体结构单元的中心为对称位置同样选取2×2根等离子体管，这8根等离子体管为一组，呈现不放电状态，得到其他92根等离子体管同时放电时电磁波的传输状态7。

较佳地，外置电源控制器以设置每个等离子体管内的等离子体特征参数，以及实现控制所述等离子体管的放电状态。

较佳地，所述的等离子体特征参数包含：电子密度和碰撞频率。

较佳地，该方法还包含：采用FDTD方法对所述的微等离子体结构单元中的电磁波传播特性进行建模，以模拟微等离子体的特性。

较佳地，电磁波经过调制与所述等离子体管形成的微等离子体超材料进行相互作用，得到经过微等离子体超材料后的电磁波频率展宽。

较佳地，所述的等离子体管的直径为1厘米。

较佳地，所述的等离子体管内最大等离子体密度为1017cm-3。

本发明还提供了上述的分析电磁波传输特性的方法中采用的微等离子体结构单元，所述的微等离子体结构单元包含：阵列式10×10根等离子体管。

较佳地，外置电源控制器以设置每个所述等离子体管内的等离子体特征参数，以及实现控制所述等离子体管的放电状态。

有益效果：

本发明提供的分析电磁波传输特性的方法，利用具有阵列式10×10根等离子体管的周期性结构的微等离子体结构单元，通过改变等离子体阵列单元的电子密度、碰撞频率以及时空分布来实现等离子体超材料的动态特性演化，可以实现电磁波的人工特定调制。

附图说明

图1为宽频可变微等离子体超材料电磁波传输示意图。

图2为宽频可变微等离子体超材料电磁波传输截面图。

图3为宽频可变微等离子体超材料电磁波传输理论模型。

图4为微等离子体结构单元的中空式、周期式、缺陷式三种工作方式。

图5为传统超材料与宽频可变微等离子体超材料电磁特性比较。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明采用具有一定周期性结构的等离子体阵列实现宽频可变等离子体超材料的结构设计，通过改变等离子体阵列单元的电子密度、碰撞频率以及时空分布来实现等离子体超材料的动态特性演化，研究不同波段的电磁波在等离子体超材料中的传输机理。

考虑到等离子体超材料的参数范围，在数值计算过程中拟改变等离子体单元的特征参数(等离子体电子密度和碰撞频率)以及等离子体单元的时间分布和空间分布，并与均匀分布的等离子体阵列进行比较来分析等离子体超材料对电磁波传输的影响因素，从而获得不同条件下电磁波的传输特性。

宽频可变等离子体超材料作为一种色散介质，在电场的作用下，会感应出电流密度

和磁流密度

并作为电磁场的源，同时，另一类场源为电荷密度ρ_e和磁荷密度ρ_m，故麦克斯韦方程组可以写为：

式中，

和

分别为电位移矢量和磁场强度。

为使麦克斯韦方程组成为一个闭合的自洽方程组，色散介质中的电位移矢量和磁场强度须满足一定的本构关系：

对于各向同性等离子体介质而言，如果只考虑无碰撞损耗的理想等离子体，其色散关系可以写为：

式中ω为电磁波的角频率，k为波矢。定义无损耗等离子体的折射率为：

进一步可以得到等离子体沿传输方向的相速度为：

故对于无损耗等离子体介质，当ω＜ω_pe时，电磁波会被完全反射，该频段称为阻带；相反，当ω＞ω_pe，电磁波可以无损的通过等离子体介质，该频段范围称为通带，等离子体可以看成是一种高通滤波介质。

时域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain Method，简称FDTD)是一种典型的以Maxwell微分方程为基础的数值计算方法，这种方法引入了差分的思想，将微分形式的Maxwell旋度方程改写成差分形式，对电磁场的电场分量E与磁场分量H在时间和空间上采取交替取样的离散方式，每一个场分量周围有四个场分量环绕，得到一组差分方程，并在一定的体积和一段时间上逐步取样求解空间电磁场。当所选取的时间步长足够小时，这种数值求解的方法可以对电磁场进行本质、完备的数值模拟，以达到一种全波分析的效果。由此，可以将上述麦克斯韦旋度方程在直角坐标系中表达为如下形式：

上式表示的是三维麦克斯韦旋度方程分量式，本发明采用FDTD方法对宽频可变等离子体超材料中的电磁波传播特性进行建模。模拟宽频可变等离子体的特性，讨论宽频可变等离子体超材料对电磁波传输的影响。

微等离子体结构单元模型为阵列式10×10根等离子体管构成，等离子体管直径1厘米，管内放电电极结构如图1所示，可实现有限空间内最大等离子体密度的形成，等离子体管内等离子体密度为10¹⁷cm^-3。等离子体管不工作时，电磁波为全透射状态，忽略等离子体管对电磁波的散射影响。当等离子体管全部工作时，形成类似均匀等离子体状态，电磁波在微等离子体结构单元中传输与均匀等离子体中传输状态相同。以这两种状态为对比，设计三种微等离子体结构单元的工作方式，得到电磁波在微等离子体结构单元中的传输特性。第一种微等离子体结构单元的工作方式为中空式，取结构单元阵列中心4×4根等离子体管为一组，当电磁波通过微等离子体结构单元时，中心4×4根等离子体管呈现不放电状态，得到电磁波的传输状态后，关闭全部微等离子体结构单元，打开中心4×4根等离子体管呈现放电状态，再记录电磁波的传输状态，两组实验结果相对比。第二种微等离子体结构单元的工作方式为周期性，水平方向每隔一行等离子体管为一组，实现“三明治”的结构设计，记录电磁波传输状态；垂直方向每隔一行等离子体管为一组，记录电磁波传输状态，通过对比可以得到水平及垂直周期性分布微离子体结构单元的电磁波传输状态。第三种微等离子体结构单元的工作方式为缺陷式，在阵列中随机选取2×2根等离子体管，并在其中心对称位置同样选取2×2根等离子体管，这8根等离子体管为一组，呈现不放电状态，得到其他92根等离子体管同时放电时电磁波的传输状态。

通过这三种微等离子体结构设计，与普通超材料对比，如图5所示，可以看出微等离子体超材料对于电磁波的调控更易于实现，不需要改变材料的外形，不受环境因素的影响，通过调控微等离子体结构单元的放电状态，即可实现不同频率范围电磁波的滤波效果，频率展宽，且持续时间长。

实施例

电磁波在宽频可变微等离子体超材料中传输的示意图如图1和图2，电磁波的输入信号由矢量网络分析仪10发出，经过第一天线20入射到微等离子体结构单元40内，接收信号由第二天线30返回至矢量网络分析仪10处理分析，得到电磁波在微等离子体超材料中的传输特性参数获取。

采用FDTD方法对宽频可变等离子体超材料中的电磁波传播特性进行建模。模拟宽频可变等离子体的特性，讨论宽频可变等离子体超材料对电磁波传输的影响。

电磁波在微等离子体超材料中的理论计算传输模型如图3所示。考虑到等离子体超材料的参数范围，在数值计算过程中拟改变等离子体单元的特征参数(等离子体电子密度和碰撞频率)以及等离子体单元的时间分布和空间分布，并与均匀分布的等离子体阵列进行比较来分析等离子体超材料对电磁波传输的影响因素，从而获得不同条件下电磁波的传输特性。

微等离子体结构单元模型为阵列式10×10根等离子体管构成，等离子体管直径1厘米，管内放电电极结构41如图1所示，可实现有限空间内最大等离子体密度的形成，等离子体管内等离子体密度为10¹⁷cm^-3。

等离子体管不工作时，电磁波为全透射状态，设为状态1，忽略等离子体管对电磁波的散射影响。当等离子体管全部工作时，形成类似均匀等离子体状态，设为状态2，电磁波在微等离子体结构单元中传输与均匀等离子体中传输状态相同。

以状态1和状态2为对比，设计三种微等离子体结构单元的工作方式，得到电磁波在微等离子体结构单元中的传输特性。

如图4的(a)所示，第一种微等离子体结构的工作方式为中空式，取结构单元阵列中心4×4根等离子体为一组，当电磁波通过微等离子体结构单元时，中心4×4根等离子体呈现不放电状态，得到电磁波的传输状态3后，关闭全部微等离子体结构单元，打开中心4×4根等离子体管呈现放电状态，再记录电磁波的传输状态4，两组实验结果相对比。

如图4的(b)所示，第二种微等离子体结构的工作方式为周期式，水平方向每隔一行等离子体管为一组，实现“三明治”的结构设计，记录电磁波传输状态5；垂直方向每隔一行等离子体管为一组，记录电磁波传输状态6，通过对比可以得到水平及垂直周期性分布微离子体结构单元的电磁波传输状态。

如图4的(c)所示，第三种微等离子体结构的工作方式为缺陷式，在阵列中随机选取2×2根等离子体管，并在其中心对称位置同样选取2×2根等离子体管，这8根等离子体管为一组，呈现不放电状态，得到其他92根等离子体管同时放电时电磁波的传输状态7。

具体操作如下：

(1)电磁波的输入信号由矢量网络分析仪发出，经过第一天线入射到微等离子体结构单元内，接收信号由第二天线返回至矢量网络分析仪处理分析，得到电磁波在微等离子体超材料中的传输特性参数获取；

(2)采用FDTD方法对宽频可变等离子体超材料中的电磁波传播特性进行建模。模拟宽频可变等离子体的特性，讨论宽频可变等离子体超材料对电磁波传输的影响；

(3)考虑到等离子体超材料的参数范围，在数值计算过程中拟改变等离子体单元的特征参数(等离子体电子密度和碰撞频率)以及等离子体单元的时间分布和空间分布，并与均匀分布的等离子体阵列进行比较来分析等离子体超材料对电磁波传输的影响因素，从而获得不同条件下电磁波的传输特性；

(4)设置微等离子体结构单元初始状态，微等离子体结构单元模型为阵列式10×10根等离子体管构成，等离子体管直径1厘米，管内放电电极结构如图1所示，可实现有限空间内最大等离子体密度的形成，等离子体管内等离子体密度为10¹⁷cm^-3；

(5)等离子体管不工作时，电磁波为全透射状态，设为状态1，忽略等离子体管对电磁波的散射影响；当等离子体管全部工作时，形成类似均匀等离子体状态，设为状态2；

(6)当电磁波通过中空式微等离子体结构单元时，中心4×4根等离子体呈现不放电状态，得到电磁波的传输状态3；关闭全部微等离子体结构单元，打开中心4×4根等离子体管呈现放电状态，再记录电磁波的传输状态4；

(7)当电磁波经过周期式微等离子体结构单元时，记录电磁波传输状态5及状态6；

(8)当电磁波经过缺陷式微等离子体结构单元时，记录电磁波传输状态7；

(9)对比不同状态下的传输参数，得出结论。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种分析电磁波传输特性的方法，其特征在于，所述的方法利用宽频可变微等离子体超材料分析电磁波传输特性，所述的方法包含以下步骤：

S1，电磁波的输入信号由矢量网络分析仪发出；

S2，所述的电磁波的输入信号经过第一天线入射到微等离子体结构单元内，形成接收信号；所述的接收信号由第二天线返回至所述的矢量网络分析仪，获取得到所述的电磁波在微等离子体结构单元中的传输特性；其中，所述的微等离子体结构单元包含阵列式10×10根等离子体管，控制所述等离子体管的放电状态，以获得所述的微等离子体结构单元在不同工作方式下的电磁波的传输特性。

2.根据权利要求1所述的分析电磁波传输特性的方法，其特征在于，步骤S2具体包含：

S2.1，使所述的10×10根等离子体管不工作，电磁波为全透射状态，得到电磁波的传输状态1；使所述的10×10根等离子体管全部工作，得到电磁波的传输状态2；

S2.2，使所述的电磁波的输入信号经过三种微等离子体结构单元的工作方式；所述的三种微等离子体结构单元的工作方式包括：中空式、周期式和缺陷式；

所述的中空式包括：取所述的微等离子体结构单元中心4×4根等离子体管为一组，当电磁波通过所述的微等离子体结构单元时，中心4×4根等离子体管呈现不放电状态，得到电磁波的传输状态3，关闭全部等离子体管，然后打开中心4×4根等离子体管呈现放电状态，再记录电磁波的传输状态4；

所述的周期式包括：水平方向每隔一行等离子体管为一组，打开同一组等离子体管，记录电磁波传输状态5；垂直方向每隔一行等离子体管为一组，打开同一组等离子体管，记录电磁波传输状态6；

所述的缺陷式包括：在所述的微等离子体结构单元中随机选取2×2根等离子体管，并以所述的微等离子体结构单元的中心为对称位置同样选取2×2根等离子体管，这8根等离子体管为一组，呈现不放电状态，得到其他92根等离子体管同时放电时电磁波的传输状态7。

3.根据权利要求2所述的分析电磁波传输特性的方法，其特征在于，外置电源控制器以设置每个等离子体管内的等离子体特征参数，以及实现控制所述等离子体管的放电状态。

4.根据权利要求3所述的分析电磁波传输特性的方法，其特征在于，所述的等离子体特征参数包含：电子密度和碰撞频率。

5.根据权利要求1所述的分析电磁波传输特性的方法，其特征在于，该方法还包含：采用FDTD方法对所述的微等离子体结构单元中的电磁波传播特性进行建模，以模拟微等离子体的特性。

6.根据权利要求1所述的分析电磁波传输特性的方法，其特征在于，电磁波经过调制与所述等离子体管形成的微等离子体超材料进行相互作用，得到经过微等离子体超材料后的电磁波频率展宽。

7.根据权利要求1所述的分析电磁波传输特性的方法，其特征在于，所述的等离子体管的直径为1厘米。

8.根据权利要求1所述的分析电磁波传输特性的方法，其特征在于，所述的等离子体管内最大等离子体密度为10¹⁷cm^-3。

9.权利要求1至8中任意一项所述的分析电磁波传输特性的方法中采用的微等离子体结构单元，其特征在于，所述的微等离子体结构单元包含：阵列式10×10根等离子体管。

10.根据权利要求9所述的微等离子体结构单元，其特征在于，外置电源控制器以设置每个所述等离子体管内的等离子体特征参数，以及实现控制所述等离子体管的放电状态。

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