【2022】【论文笔记】太赫兹波在非磁化等离子体中的——

前言

类型
$太赫兹+等离子体$
期刊
$物理学报$
作者
$郑灵,赵青,刘述章,刑晓俊$
时间
$2012$

研究目的

宇宙飞船返回时，高温使得气体和被烧蚀材料发生电离，飞行器表面形成一层高温等离子体鞘层（非磁化等离子体）

等离子体使得电磁波传输发生衰减，使得通信失效（黑障）

黑障主要原因：
等离子体鞘套电子密度剧烈增加，使得等离子体频率大于通信载波频率

解决方法是采用太赫兹波实现黑障区飞行器的通信

• 太赫兹波与等离子体发生作用，会有什么物理现象和规律？

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研究模型

采用TE波（横电波）垂直入射到非磁化等离子体中的传输模型

假设等离子体是均匀、非磁化、稳态、碰撞的等离子体
TE波沿z轴负向传播（入射波）
电场平行y轴（垂直纸面，横向）
磁场平行与x方向（垂直纸面，竖向）

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maxwell方程：
$$\begin{gathered} \nabla \times \vec{E}=-j\omega {\mu }_0\vec{H} \\ \nabla \times \vec{H}=j\omega \epsilon \vec{E} \\ \nabla \cdot \epsilon \vec{E}=0 \\ \nabla \cdot {\mu }_0\vec{H}=0 \end{gathered}$$其中${\mu }_0$是真空磁导率，$\epsilon$是介电常数，$\omega$是电磁波角频率

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介质0的场：
$$\begin{gathered} E_{0y}=E_0(e^{j{k}_{0}z}+r{e}^{-j{k}_{0}z}) \\ {H}_{0x}=\frac{k_0}{\omega {\mu }_0}{E}_0(e^{j{k}_{0}z}-r{e}^{-j{k}_{0}z}) \end{gathered}$$其中$r$是$z=0$界面（上表面）的电磁波反射系数，$k_0$是空气中电磁波波数

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介质1的场：
$$\begin{gathered} E_{1y}=E_{PT}{e}^{jkz}+E_{PR}{e}^{-jkz} \\ {H}_{1x}=\frac{k_0}{\omega {\mu }_0}(E_{PT}{e}^{jkz}-E_{PR}{e}^{-jkz}) \end{gathered}$$其中$E_{PT}、E_{PR}$分别是介质1的透射电场振幅和反射电场振幅，$k$是等离子体（介质1）中的电磁波波数

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由边界（$z=0和z=-d$）的电磁场的连续边界条件有
$$\begin{gathered} E_{0y}{|}_{z=0}=E_{1y}{|}_{z=0} \\ {H}_{0x}{|}_{z=0}=H_{1x}{|}_{z=0} \end{gathered}$$
$$\begin{gathered} E_{1y}{|}_{z=-d}=E_{2y}{|}_{z=-d} \\ {H}_{1x}{|}_{z=-d}=H_{2x}{|}_{z=-d} \end{gathered}$$

得到电磁波反射系数r和透射系数t：
$$r=\frac{1-{\epsilon }_r}{1+{\epsilon }_r+2\sqrt{{\epsilon }_r}coth(jkd)}$$
$$t=\frac{2\sqrt{{\epsilon }_r}{e}^{j{k}_{0}d}}{(1+{\epsilon }_r)sinh(jkd)+2\sqrt{{\epsilon }_r}cosh(jkd)}$$其中${\epsilon }_r$是非磁化等离子体的相对介电常数

得到电磁波反射率R，透射率T，衰减值Att：
$$\begin{gathered} R=|r{|}^2 \\ T=|t{|}^2 \\ Att=-10lgT \end{gathered}$$

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研究方法

在理论分析基础上，以激波管为实验平台，搭建等离子体中太赫兹波（$0.22THz$）传输实验系统

激波管直径$8cm$，进行了5次有效实验

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结论

随着THz频率增加，反射率减少，透射率增加，衰减减少

随着等离子体密度增加，反射率增加，透射率减少，衰减增加

随着等离子体碰撞频率增加，反射率减少，透射率先减少后增加，衰减先增加后减少

随着等离子体厚度增加，反射率基本无变化，透射率减少，衰减增加

反射曲线振荡的原因：
电磁波在$z=0和z=-d$界面出现多次反射

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振荡

随着THz频率增加，反射率曲线出现周期性振荡，振荡周期0.03THz

• 随着THz频率增加，振荡幅度增加
• 随着等离子体密度增加，振荡幅度减少
• 随着等离子体碰撞频率增加，振荡幅度增加

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问题

吸波材料用什么？
吸收或者减弱其表面接收到的电磁波能量

要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率外，还要求它具有质量轻、耐温、耐湿、抗腐蚀等性能

泡沫、橡胶、塑料、涂料、铁氧体类

多用聚氨酯（PU）多做成椎体形状
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实验的THz通信设备用SISO吗？还是MIMO？

有考虑有不同的偏振和极化的THz波对非磁化等离子体的影响吗？

通信用的什么调制的？OFDM（正交频分复用）？还是OOK？

不同的THz发射天线对非磁化等离子体是否有不同的作用？
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