高功率微波大氣傳播問題的混合模型研究.pdf

1、高功率微波在軍事和民用方面具有重要的應(yīng)用前景。近年來，高功率微波的輻射電場越來越接近背景氣體的擊穿閾值，一旦氣體擊穿發(fā)生，伴隨產(chǎn)生的等離子體將嚴(yán)重影響高功率微波的傳播。因此，對高功率微波大氣傳播開展研究具有重要的意義。本文以電子流體模型為基礎(chǔ)，并混合其它模型，研究高功率微波與氣體等離子體之間的相互作用。電子流體模型由麥克斯韋方程組，電子密度連續(xù)性方程，電子流體動量守恒方程以及電子流體能量方程組成。相對于粒子模型，電子流體模型具有簡單、快

2、速的特點(diǎn)，且可以模擬高密度的氣體等離子體對微波傳播的影響。
　　采用時(shí)域有限差分方法數(shù)值求解一維和二維電子流體模型。值得強(qiáng)調(diào)的是，在迭代計(jì)算中，電子密度方程與電子能量方程構(gòu)成二元一次非線性方程組，我們采用埃特金迭代方法對其進(jìn)行局部迭代求解。在每個(gè)時(shí)間步上，除更新各個(gè)網(wǎng)格上的電磁分量與流體分量外，還通過計(jì)算電子流體能量與電子密度的比值（平均電子能量）更新電離率等輸運(yùn)系數(shù)，以分析高功率微波大氣傳播的瞬態(tài)特性。為了驗(yàn)證該算法的有效性，將

3、模擬的空氣擊穿閾值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者基本一致。
　　在電子流體模型中，需預(yù)先指定電子能量分布函數(shù)，以計(jì)算能量依賴的輸運(yùn)系數(shù)。先前的研究中通常假設(shè)電子能量分布函數(shù)服從麥克斯韋分布，而當(dāng)電子能量分布嚴(yán)重偏離平衡狀態(tài)時(shí)，麥克斯韋分布假設(shè)可能給模擬結(jié)果引入很大的誤差。為了提高電子流體模型的精度，本文通過混合其它模型提出了兩種改進(jìn)電子能量分布函數(shù)的方法。第一種方法是引入等效的電子能量分布函數(shù)形式，其形狀因子與氣體成分、微波頻率等有

4、關(guān)，且可通過對比粒子模擬結(jié)果來確定;第二種方法是直接求解電子玻爾茲曼方程，確定電子能量分布函數(shù)。分別將上述兩種方法得到的電子能量分布函數(shù)引入電子流體模型，所預(yù)測的擊穿時(shí)間均與粒子模擬結(jié)果符合得很好，這證實(shí)了改進(jìn)的電子能量分布函數(shù)的有效性。本文也證實(shí)了當(dāng)電子能量分布嚴(yán)重偏離平衡狀態(tài)時(shí)，采用麥克斯韋分布函數(shù)得到的擊穿預(yù)測與粒子模擬結(jié)果的差別很大。
　　采用上述模型與其算法，對高功率微波傳播的若干瞬態(tài)問題進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，六氟化硫與

5、空氣的混合氣體中，由于飽和電子密度偏低，擊穿電場波形未出現(xiàn)脈沖縮短現(xiàn)象，且隨著六氟化硫比例的增加，高壓下的擊穿閾值明顯增加。低海拔下平均電子能量偏低，擊穿很難發(fā)生，隨著海拔的增加，平均電子能量逐漸增大，引起空氣擊穿，伴隨產(chǎn)生的高密度等離子體強(qiáng)烈吸收和反射脈沖尾部?；诖罅康牧Ｗ幽M，我們證實(shí)了由玻爾茲曼求解器Bolsig+得到的正弦微波脈沖下的電子能量分布函數(shù)可用于近似超寬帶脈沖下的情況，在此基礎(chǔ)上分析了不同壓強(qiáng)下超寬帶脈沖擊穿的時(shí)域演

6、化過程，并討論了脈沖波形對氣體擊穿的影響。壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓時(shí)，不同微波頻率下均形成若干個(gè)離散的等離子體絲，其逐漸朝波源移動，且隨著微波頻率的降低，相鄰等離子體絲之間的間距與對應(yīng)波長的比值幾乎保持不變（接近四分之一），而形成新的等離子體絲所需要的時(shí)間顯著增加。在圓柱波導(dǎo)近場區(qū)域，空氣擊穿等離子體的密度在徑向和軸向上均是非均勻的，不同氣壓下傳輸功率的主導(dǎo)損失機(jī)理具有很大的差別，即低壓下為等離子體對微波的反射，而隨著壓強(qiáng)的增加逐漸演化為等離子