电磁波在任意磁偏角等离子体中的传播

本文将电流密度卷积时域有限差分（Current Density Convolution Finite Difference Time Domain,JEC-FDTD）方法扩展到求解任意磁偏角电磁波在磁化等离子体中的传播和共振吸收问题.首先,验证数值算法正确性,分析了法拉第旋转角效应,以及任意磁偏角电磁波在等离子体中的传播特性.然后,求解电磁波在磁化等离子体中的等离子体朗缪尔共振、电子回旋共振、高频混杂共振吸收特性.结合在电离层加热中的应用,重点分析了等离子体高频混杂共振吸收特性,得到了高频混杂共振激发的频率匹配条件.数值结果表明,高频混杂共振吸收是电离层加热的有效方式,对于解释电离层加热机制具有重要意义.     

Compton散射下磁化等离子体光子晶体光子带隙特性

为了研究多光子非线性Compton散射对横向磁光效应磁化等离子体光子晶体光子带隙特性的影响,采用多光子非线性Compton散射模型和时域有限差分法进行了理论分析和实验验证,取得了关于晶体色散和调制不稳定性、光子带宽变化的重要数据,并提出了将入射光和Compton散射光作为磁化等离子体光子晶体色散的新机制.结果表明,Compton散射使等离子体色散增强,耦合电磁波通带变窄、阻带变宽,有效地降低了电磁波传输中的交叉相位调制的不稳定性,频率低于等离子体频率的电磁波在等离子体中的传播几率减小.     

等离子体中的涡旋电磁波传播研究

目前对涡旋电磁波的产生方法及应用已经有很多理论及实验上的研究,但对于其传播过程的研究还非常缺乏,尤其是在电离层等离子体中的传播过程的研究. 本文建立了柱坐标系下的时域有限差分方法模型,推导了柱坐标系下的边界吸收方法,在此基础上计算了涡旋电磁波在真空及等离子体中的传播过程,同时模拟了等离子体密度在涡旋电磁波作用下的时空演化过程. 模拟结果表明:通过阵列天线模型产生的涡旋电磁波在真空中传播时涡旋的形状不会改变;在等离子体介质中,涡旋波的传播依然遵循线性理论,当涡旋电磁波遇到截止频率的等离子体时也会有明显的反射,并产生驻波;同时,在等离子体中涡旋波依然可以保持涡旋形态;涡旋波对等离子体的线性作用使得等离子体也呈现出涡旋态,与实验中的观测相符. 以上的模拟结果能为涡旋电磁波加热电离层的实验以及未来在短波通信方面的应用提供理论支持. 本文建立的涡旋波在等离子体中的传播模型也为进一步研究涡旋波与等离子体的非线性相互作用打下了基础.     

非磁化等离子体覆盖导体柱的ZTFDTD分析

将归一化的Z变换时域有限差分算法(ZTFDTD)用于仿真电磁波与非磁化等离子体的相互作用,给出了非磁化等离子体的ZTFDTD迭代公式.通过二维模型分别计算了非磁化等离子体覆盖导体柱的双站散射特性,分析了不同等离子体自由电子密度分布,不同电磁波频率和不同等离子体碰撞频率对雷达散射截(RCS)的影响.数值结果表明,合理地置等离子体参数,可以增强等离子体隐身效果.     

不均匀磁等离子体的隐身机理——圆极化电磁波的碰撞吸收

研究了圆极化电磁波在不均匀磁等离子体的传播和吸收。讨论了不均匀磁化等离子体片对平行于磁场方向传播的左、右旋圆极化电磁波的碰撞吸收，计算了不同条件下衰减率。计算表明，当电磁波的频率接近电子碰撞频率时，磁等离子体对电磁波的吸收达到最大值。当入射电磁波的频率很低时，不均匀磁化等离子体中磁撞对雷达波的吸收非常小。当入射电磁波频率较高时，等离子体的碰撞对入射电磁波的衰减很有效。     

碰撞频率对等离子体吸波特性的影响

电子碰撞频率对等离子体与电磁波相互作用的性质具有较大影响.本文分别采用单粒子模型和考虑电子的集体效应,研究了碰撞频率对磁化等离子体吸收电磁波能力的影响.结果表明,无论考虑集体效应与否,碰撞频率的提高均有利于展宽等离子体对电磁波的吸收带宽,但却会降低吸收的峰值,存在一个最佳的碰撞频率,可使等离子体对电磁波的吸收在一个波段达到最强.最后,给出了非磁化等离子体的最佳碰撞频率.     

基于等离子体反射特性的雷达诱饵技术研究

在研究等离子体与电磁波相互作用的基础上,得到了均匀非磁化等离子体对入射电磁波的反射系数,通过对反射特性的分析,讨论了等离子体用作雷达诱饵的有关问题．     

等离子体隐身的极化损耗机理

通过等离子体对电磁波的折射效应和吸收衰减实现隐身是等离子体隐身技术的基本机理，但同时，磁化等离子体还可以通过改变电磁波的极化方式造成雷达波的极化损耗。文中研究了极化雷达波在磁化等离子体中传播时的法拉第旋转、双折射等现象，分析了这些效应使雷达波产生极化损耗的机理。结果表明磁化等离子体对雷达波的极化损耗在理论上是完全成立的，其效果也相当显著。     

电离层加热中朗缪尔湍动的数值模拟研究

应用广义Zakharov模型, “全尺度”模拟了大功率电波垂直注入电离层后电磁波与电离层的非线性相互作用.在寻常波(O波)反射点附近, 无线电波参量衰减为电子等离子体波和离子声波两种波模, 接着, 伴随着坍塌、空洞形成以及强烈电子等离子体波的俘获相关过程, 形成的空洞会导致慢非寻常波(Z波)的有效激发并能向密度更高的电离层区域传播.模拟结果表明:在毫秒量级的时间尺度内, 大功率高频电波在电离层等离子体中的O波反射点附近激发出了电子朗缪尔波和离子声波, 同时波粒相互作用导致O波向Z波的转换并传播向更高区域.此研究有助于对参量衰减不稳定性的物理机制形成较直观的印象, 对理解大功率高频电波与电离层等的非线性相互作用也很有益处.     

1维3元非磁化等离子体光子晶体禁带特性研究

为了研究1维3元非磁化等离子体光子晶体的禁带特性,采用传输矩阵法仿真计算了电磁波在1维3元非磁化等离子体光子晶体的传播规律,用计算得到的电磁波透射系数讨论了周期常数、介电常数、介质层厚度和等离子体参量对其禁带特性的影响。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带隙的调制,增加周期数和等离子体频率不能实现对禁带的拓展。这一结果为设计1维3元非磁化等离子体光子晶体器件提供了理论参考。     

JEC-FDTD for 2-D conducting cylinder coated by anisotropic magnetized plasma

The JE convolution finite-difference-time-domain (JEC-FDTD) method is extended to the anisotropic magnetized plasma which incorporates both anisotropy and frequency dispersion at the same time, enabling the transient solution of the electromagnetic wave propagation in anisotropic magnetized plasmas. Two-dimensional JEC-FDTD formulations for magnetized plasma are derived. The back scattering radar cross section (RCS) of a perfectly conducting cylinder coated by a layer of magnetized plasmas is calculated.     

温度、密度对磁化等离子体光子晶体的影响

为了研究温度、密度对磁化等离子体光子晶体禁带特性的影响,采用在等温近似的条件下,磁化等离子体的分段线形电流密度卷积时域有限差分算法研究了1维磁化等离子体光子晶体的禁带特性。以高斯脉冲为激励源,用算法公式得到的电磁波透射系数来讨论了温度、等离子体层密度对其禁带特性的影响。结果表明,改变温度和等离子体层密度分布可以实现对禁带的控制。     

1维时变磁化等离子体光子晶体的密温特性

为了研究1维时变磁化等离子体光子晶体禁带的温度和密度特性,采用在等温近似的条件下,磁化等离子体的分段线形电流密度卷积时域有限差分算法研究了1维时变磁化等离子体光子晶体的禁带特性。以高斯脉冲为激励源,用算法公式得到的电磁波透射系数来讨论了等离子体上升时间、温度、等离子体层密度对其禁带特性的影响。结果表明,改变等离子体上升时间和等离子体层密度可以实现对禁带的控制。这一结果对设计磁化等离子体光子晶体器件有帮助。     

基于射线追踪的TID期间电离层高阶效应及多普勒效应仿真

电离层行进式扰动(traveling ionospheric disturbance, TID)是一种常见的电离层扰动形式,对电磁波（如卫星导航）信号的传播过程有着重要影响. 为研究TID对卫星导航信号传播效应,本文基于三维射线追踪方法对导航信号在空间电离层磁等离子体的传播进行仿真,重点研究TID情况下电离层二阶效应和多普勒效应. 首先,通过在NeQuick电离层模型上添加电离层扰动建立TID仿真生成模型,该模型能够模拟多种尺度的TID结构;其次,基于我国南北方两个虚拟站点,仿真模拟得到导航信号在TID发生时的传播特性;然后,计算得到不同仰角和方位角时卫星导航信号的电离层二阶效应和多普勒效应等参数;最后,分析TID参数对电离层二阶效应和多普勒效应的影响. 仿真结果表明,在本文仿真参数下电离层二阶和多普勒效应在低射线仰角情况下更明显,TID多普勒效应和TID周期相关性明显.     

Analysis on the Calculation of Plasma Medium with Parallel SO‐FDTD Method

This paper introduces a novel parallel shift operator finite‐difference time‐domain (SO‐FDTD) method for plasma in the dispersive media. We calculate the interaction between the electromagnetic wave of various frequencies and non‐magnetized plasma by using the parallel SO‐FDTD method. Then, we compare the results, which are calculated with serial and parallel SO‐FDTD executions to obtain the speedup ratio and validate the parallel execution. We conclude that the parallel SO method has almost the same precision as the serial SO method, while the parallel approach expands the scope of memory and reduces the CPU time.     

FDTD Analysis of Electromagnetic Reflection by Conductive Plane Covered with Magnetized Inhomogeneous Plasmas

A novel finite-difference time-domain (FDTD) methodology which incorporates both anisotropy and frequency dispersion at the same time is developed for electromagnetic wave propagation in anisotropic magnetoactive plasmas in this paper. The numerical verification of the method are confirmed by computing the reflection and transmission of right-handed/left-handed circularly polarized (RCP/LCP) wave through a magnetized plasma layer, with the direction of propagation parallel to the direction of the biasing field. And, the right-handed / left-handed polarized wave reflection coefficients for electromagnetic signals normally incident upon a conductive plane covered with a layer of magnetized plasma are computed using the new FDTD method. The parabolic electron-number density profile varies only in the direction perpendicular to the plane. The function dependence of reflection coefficients on the number density, collision frequency and external magnetic field is studied.     

磁化等离子体覆盖导体散射问题的FE/BI方法分析

基于矢量有限元方法和边界积分方程,推导了分析三维导体表面覆盖各向异性磁化等离子体电磁散射问题的矢量有限元/边界积分(FE/BI)方法公式,并将该方法推广到外磁场沿任意方向时磁化等离子体的情形。应用该方法计算了磁化等离子覆盖导体目标的双站雷达散射截面(RCS),分析了等离子体厚度、密度、碰撞频率和外磁场方向对雷达散射截面的影响。数值计算结果表明:在导体表面覆盖各向异性磁化等离子体并且选取合适的参数,能够有效地减少雷达散射截面。     

FINITE-DIFFERENCE TIME-DOMAIN ANALYSIS OF UNMAGNETIZED PLASMA PHOTONIC CRYSTALS

The plasma photonic crystal is a periodic array composed of alternating thin unmagnetized (or magnetized) plasmas and dielectric materials (or vacuum). In this paper, the piecewise linear current density recursive convolution finite-difference time-domain method for the simulation of isotropic unmagnetized plasma is applied to model unmagnetized plasma photonic crystal structures. A perfectly matched layer absorbing material is used in these simulations. In time-domain, the electromagnetic propagation process of a Gaussian pulse through an unmagnetized plasma photonic crystal is investigated. In frequency-domain, the reflection and transmission coefficients through unmagnetized plasma photonic crystals are computed and their dependence on plasma frequency, plasma thickness, collision frequency is studied. The results show theoretically that the electromagnetic bandgaps of unmagnetized plasma photonic crystals are tuned by the plasma parameters.