等离子体天线[专帖]

xiaoyexiao

我刚接触，希望多多指教！！！待有所研究在回复。！！！多谢

lilik

這個東西好像真的很少人在做
我只從一些雜誌上介紹 我才知道有這種東西
:11bb

gwzhao

http://www.sciencenet.cn/blog/guowei.htm

gwzhao

等离子体天线基本原理描述出来简单易懂，但实际其中涉及内容非常多，很多局限性都隐藏其中。简单来讲，等离子体天线必须面临或克服的内容有：
1）增益。对天线来讲，增益是最重要的参数，但由于等离子体对电磁波的吸收，使得相同情况下，等离子体天线增益比金属天线要低很多，在低到一定程度后，就失去了作为天线的意义。可能会想如果等离子体密度足够高，吸收很少，相当于全反射电磁波就可以了。但实际上利用射频激励产生的等离子体密度也就在10的 11 次方就很了不起了，利用最简单的色散关系计算得到波矢，代入天线方程中，exp(-k.l)，发现如果频率很高，则衰减系数很大，所以信号衰减很明显，如果频率比较低，天线要求的四分之一波长，l会很大，同样k.l也不见得很小。所以这些都要通过详细的计算或实验才能得到一个结果。当然在做数值计算时，按照自己的要求设置等离子体密度，电子温度，碰撞频率等等参数，但实际中的数值可能与它相差也很大，最明显的就是，为了取得一个比较漂亮的数值计算结果，将碰撞频率取的很小，电子密度取的很大，电磁波显然会衰减很小，增益有所提高，但实际条件下，为了提高等离子体电子密度，会提高气压，碰撞频率也会变大。因此就算数值计算结果很好，也要考虑整个模型的合理性。
其它几个就简单写。
2）射频激励等离子体的局限性。等离子体的最高密度，激励源的对外辐射，激励信号与发射信号之间的相互调制。
3）等离子体密度分布的影响。扩散与激励引起的径向电子密度不均匀分布，轴向在满功率下的分布，没有加满功率下的等离子体电子密度分布。这些电子密度不均匀分布对天线性能的影响。
4）等离子体中的非线性效应。各种信号在等离子体中倍频，调制现象，时变等离子体对信号的频率漂移。
5）要实现等离子体天线的动态重构所需要满足的条件。
等等。
当然研究等离子体天线还是很有价值的，个人觉得必须对等离子体物理（冷等离子体），天线理论，射频与信号，数值计算，编程能力都有一定的基础和了解。

gwzhao

1）国外
等离子体天线首先是加拿大一个实验室开始开展的，后来这个实验室和美国海军进行合作，进行了进一步深入的研究，在此期间先后发表了一些文章，大概有不到十篇左右。同时他们还进行了外场实验，包括辐射方向图的测试，天线噪声，以及语言通讯（电台）实验，从实验数据上看，基本都达到了实验目标。
在进行第二阶段的研究中，应该出现了一些问题。这时几乎没有新的文章发表，所有发表的文章都是从以前发表过文章的Review，没有新的突破。

俄罗斯据说等离子体天线取得了很大的进展，到了应用阶段，但由于军事秘密，无法从外界得知，也没有任何文章，报告出现。去俄罗斯访问时，也不允许参观等离子体天线方面的东西。

印度也进行过等离子体天线的研究，具体过程和美国前期研究过程一样，不过没有文章发表，只有一篇报告，利用等离子体天线和短波电台进行语音通讯。

2）国内
最新关注等离子体天线的是中电集团的29所，后来的有东南大学，北航，郑州的信息工程学院，中科大，但其中很多是翻译了国外等离子体天线的文章，在国内发表。期刊有《雷达与对抗》等，通过维普可以直接检索到。

电磁场与等离子体相互作用的计算，等离子体非线性效应的研究，射频激励等离子体的数值模拟，一纬和二纬FDTD的电磁波在等离子体中传播的数值模拟。轴向密度不均匀和径向密度不均匀对等离子体天线性能的影响等等。

gwzhao

第一点的体会就是，一切数值计算和数值模拟都是以理论为基础的，如果对理论，公式推导没有深入的了解，不可能在数值计算上取得很大成果的。很多师弟们总觉得看看书，了解一下原理，差不多懂了就可以动手搞研究，或者接手上面师兄们的工作了，这是一个普遍错误的想法。很多人喜欢看文字多，图片说明多的资料，而我觉得公式多的资料才是最可靠的，一页一页的公式就是你信心的保证，你可以轻易的看出各个方程的来源。

     除非研究分形与混沌，一般对任何数值计算或数值模拟而言，给出了基本方程（如冷等离子体的闭合方程）的迭代公式，边界条件（求解的范围，物体的形状），初始条件（激励源或扰动源），任何结果都是可以预计的。

一般的步骤是：

    1）方程的迭代公式。方程是如何得到的，做了哪些简化，比如等离子体天线中利用的方程都是认为是冷等离子体，密度均匀，电离度很低，电子碰撞频率只与中性分子有关，在一定气压的前提下近似为常数等等。迭代公式推导时，中间差分还是前后差分好，收敛条件的表达式是什么。

最关键的是别人忽略的项，为什么忽略或做近似，如果你加上在什么情况下显得有意义。比如如果认为等离子体密度不均匀，方程应该怎么近似，如果碰撞频率和电子密度，电子温度有关，该怎么推导。这些如果不对理论有很深的了解，是永远无法自己独立做出自己的东西的。

2）边界条件。最简单的就是一纬，无限平面空间，左边是真空，右边是等离子体。看别人文献的时候，如果他做一纬的，你就想能不能简单的推到二纬，三纬直角坐标。如果他做的是二纬直角的，你就想能不能做成柱坐标，因为某些情况下可以把三纬的简化成二纬柱坐标。如果他做的是三纬的，你可以看能不能变成球坐标，或求解任何形状物体的特性。

3）初始条件。激励源、信号源或扰动源的位置，如果等离子体是时变等离子体，则可研究不同相位差等等。

     在等离子体中可以数值模拟的东西很多很多，一般只要能公式推导出来的结果都可以数值模拟出来，就是一个柱形等离子体径向电子密度的分布，也可以通过蒙特卡罗方法数值模拟得到Bessel(0,r/a)的分布，也许你觉得这没有意义，都可以解析求解的，很简单的一个例子，表面波激励等离子体，能量优先损耗在表面，也就是扩散加上激励，此时就无法解析求解了，这时候数值模拟就可以得到令你满意的结果。

     由于实际实验的复杂，很少结果能够从原始方程或简化方程中解析求解得到，以往是一步步简化方程，最终得到一个可以求解析解的方程。但现在计算机能力的飞速提高，结合各种逼近法，完全有条件和能力得到它们的数值解，而一些过程也可以通过数值模拟的方法得到。

     我认为做科研，首先要从理论开始，没有扎实的理论基础，最终都是华而不实的。

gwzhao

说起一纬等离子体与电磁场的数值模拟(FDTD),大家可能觉得太简单,而且已经被研究透了，还有讨论的必要么,其实不然.对于初学等离子体与电磁场数值模拟的学者来说,一纬是个很好的工具和过程.我认为它的好处有:

1)一纬的数值模拟能够使你把握做数值模拟大部分的因素.如电磁场递推公式,吸收边界的设置,激励源的加入,连接边界的公式推导等等,这些都能够使你对数值模拟整个程序流程有个完整的把握.

2)一纬的理论公式相对容易推导,因此你的数值模拟的结果,基本上都可以从原始理论公式中得到,因此你可以设置不同的物理模型,让模拟结果与理论结果进行对比,发现哪些是相互验证的，哪些是不同的，是否是计算误差引起等等.

3)调试程序方便,对于一纬模型,要调试程序很容易,N个结点，最多遍历一次,速度很快,可以接受,可以想象对N*N,或者N*N*N的程序,调试非常麻烦.同时一纬对内存要求不高,基本上可以随意设置数组大小,不用担心内存不够,不需要考虑算法太慢,我们只需要观察到自己关心的现象就可以了.相反对三纬模型，设置吸收边界5个节点,外场20节点,进场75个节点,其中包括目标20个节点(默认关心近场数据),这样需要100个节点,每个节点放 Double型(16bit)数据,电场,磁场,电流,等离子体密度,位置等每个有三个方向分量,最基本需要(100*100*100)*16* (5*3)=240M数据,一个波长如果占20个节点话,目标物体里面也只能观察一个波长的现象，同时很容易导致发散.因为三纬模型对物理模型，算法,内存使用存在了一定的要求,而这些在一纬模型中全部可以忽略,使我们能够把精力放在我们所关心的物理问题,现象上。

      大家觉得这已经做透了的东西,我最多将它当做练练手,没什么好追求的.其实这也不然,原因有:

1)一纬对编程要求低,你可以将精力放在物理模型上,取等离子体与电磁场数值模拟为例,现在以信号不影响等离子体密度的分布为前提的,你可以考虑密度分布不均匀时的情况,或者考虑信号如果对等离子体本身产生影响会怎么样?对等离子体本身的影响到底是影响等离子体密度呢，还是影响等离子体电子温度?前者可以研究非线性等现象,后者可以研究电离层加热,或者两者都有影响.等离子体密度不均匀时,要不要考虑密度剃度的影响,等等,再比如非磁化和磁化等离子体的比较等等,这些能研究的内容都很多.只要能找到合理的应用背景,发几篇好的文章都可以.

2)一纬中的算法相对也容易改进和验证,收敛性的验证就是一个很好的例子,事实上对等离子体这种色散介质收敛性的讨论很少,决大部分认为等离子体中的速度小于光速,所以收敛性要比真空中更弱一些,所以不用另外考虑，其实这是错误的,等离子体中电子温度所对应的电子速度限制,非线性中收敛性的情况,就会发现远远不能那样简单描述出来.通过推导它们收敛要求的公式，找到发散的原因,会有新的收获.

   我做数值模拟的时候，一般重点都是放在一纬上，一纬首先能从原理上看模型是否合理,收敛性的要求如何,吸收边界条件,随意的改变模型,如等离子体与真空,等离子体与金属,等离子体与其他介质材料等,等模拟结果与预想的理论结果相差很小时,开始做二纬的.

azulgrana

楼主啊，你这个太过专业了吧，强，羡慕研究的生活

fly_wind2005

听名字,就觉得够玄的了,谢谢楼主

sy9704

上传了这么多文章，真是辛苦楼主了，谢谢分享