防御高功率微波攻击无人机的等离子体雷达天线罩研究

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无人机集群作战具有高度紧密协作、成本低、作战效率高、防御难度高的特点,是未来军事战争的颠覆性技术之一。高功率微波武器在极短时间内通过高增益天线定向辐射高功率微波,通过无人机的雷达天线罩耦合进入无人机内部,是摧毁无人机集群的重要技术之一。将等离子体引入雷达天线罩是一种有效抑制高功率微波的电磁防护手段。首先,研究了微波与等离子体相互作用机理。(1)从麦克斯韦方程组出发,理论推导了等离子体作为介电材料的基本参数,并研究了各参数对等离子体相对介电常数的实部和虚部的影响,结果表明入射波频率、电子密度、气压等参数能够显著影响有碰撞等离子体的相对介电常数。(2)理论研究了电磁波在一维等离子体阵列中的传播,对一维等离子体阵列禁带中心频率、等离子体折射率、等离子体衰减系数进行了细致分析。(3)采用传输矩阵法,研究了气压、电子密度、等离子体层宽度对一维等离子体阵列的禁带影响,结果表明:随着气压从104.5 Pa增大到1045 Pa,第一禁带的中心频率减小0.20 GHz;当电子密度从0.62×1011 cm-3增加到4.34×1011 cm-3,第一禁带的中心频率从4 GHz单调增加到4.36 GHz,带宽从1.30 GHz单调增加到2.41 GHz;等离子体宽度从0.5 cm增加到1 cm,三个禁带中心频率都减小,第一、第二禁带带宽增大,第三禁带带宽减小。然后,采用COMSOL Multiphysics仿真软件的RF模块,研究了二维等离子体阵列的结构与参数对1-18 GHz微波衰减的影响,结果表明:(1)气压的减小有利于入射微波的衰减,电子密度、填充比、等离子体直径、阵列总厚度的增大有利于微波的衰减。(2)等离子体的排列方式对微波衰减影响较小。(3)入射波为TM波或TEM波时,微波功率传输效率接近,且衰减都远弱于TE波。对于TE波,入射角度在30°-60°范围内变化时,入射角越大,功率传输效率越低。最后,研制了涡旋形毛细管等离子体、气柱袋等离子体阵列、3D打印等离子体阵列、荧光管等离子体阵列,希望能够得到均匀性(一致性)强、电子密度高的等离子体阵列,结果表明:(1)涡旋形毛细管等离子体、气柱袋等离子体阵列、3D打印等离子体阵列无法产生一致性较好的等离子体阵列。(2)单极性脉冲电源驱动时,电压、频率越高,荧光管并联阵列放电一致性越强,并联灯管数量的增多使阵列放电一致性变差。双极性脉冲电源驱动时,灯管阵列更容易全部点亮,放电一致性更强,电子密度约为1.18×1012cm-3。频率在5-20 k Hz范围内变化对阵列放电的一致性没有明显影响;灯管内气压增大或管数量增多使阵列放电一致性变差。
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