薄层等离子体增强微波接收特性实验及数值仿真

摘 要：等离子体是一种多模式、宽频谱电磁介质，可以与不同波段电磁波相互作用，实现对电磁信号的调制。报告了薄层等离子体增强微波信号接收特性实验研究的初步结果，并进行了数值仿真分析。在实验中发现了薄层等离子体结构对微波电磁信号的接收增强效果;且这种技术不仅可以在较宽频带内提高天线接收到电磁辐射的强度，同时也保持了良好的微波信号质量。进一步建立了相应物理模型并对实验结果进行了数值仿真分析研究。基于局域表面等离子体激元理论，分析了微波接收信号增强的机理，并初步得到了微波频率、薄层厚度、碰撞频率等参数对微波接收增强特性的调制规律。

关键词：薄层等离子体;微波辐射接收增强;增强控制规律

中图分类号：TM 15;TN 91

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2019）04-0020-08

0 引 言

微波电磁辐射增强技术是发展远距离电磁通信、探测、控制的关键技术，与国家重大战略需求紧密相关。传统增强微波电磁辐射的技术主要包括有源加载和天线的优化设计，如采用阵列化天线、反射面天线等[1-5]。然而这些增强微波电磁辐射的方式多存在电磁互耦严重、集成难度高、隐蔽性不好等问题，直接影响了微波通信系统的工作效率。为了适应微波通信、测控技术等科技领域的发展需求，需要在传统电磁辐射信号增强技术的基础上，进一步发展电磁辐射增强的新方法和新技术。

具有特殊电磁性质的超材料在调制增强微波电磁辐射特性领域已经取得丰硕成果[6-8]。等离子体作为一种多模式、宽频带的特殊电磁介质，在调制电磁辐射方面具有其他超材料不具备的潜在优势，为电磁信号的调制增强提供了可行途径。上世纪七十年代初，比利时皇家军事学院研究人员Messiaen等人通过实验研究了等离子体薄层包覆的球形偶极子天线的辐射特性，首次发现当等离子体频率大于天线工作频率时，亚波长尺度的等离子体薄层可对微波频段电磁信号起到增强作用[9]。此后，美国密西根州立大学K. M. Chen和C. C. Lin进一步验证了这一效应，并对辐射增强效果与关键等离子体参数的关系进行了初步的实验研究及理论探索[10-12]。Ziolkowski等人对等离子体近场包覆的电小天线辐射增强特性进行了数值仿真研究，并提出等离子体和自由空间之间的匹配可以减小天线系统的阻抗特性，从而提高电磁辐射强度[13-15]。Wang等人从电场折射反射和电磁波相位调制的角度分析了辐射增强的机制[16-17]。在此基础上，Kong等人将这一技术的可增强频段从甚高频波段进一步提升到通信常用的L波段，在实验中观察到了等离子体包覆天线的全向辐射增强效应，对于等离子体匹配作用、密度分布等因素对增强作用的影响给出了进一步分析[18-20]。

在以上工作的基础上，针对发射信号的等离子体调制增强技术已经获得比较系统的研究。但对于接收信号的等离子体增强研究尚未见到报道。研究等离子体对电磁信号的接收增强效应和规律特性对于扩展该技术在通信和控制领域的应用具有重要意义。

本文通过实验手段和数值模拟方法研究等离子体对于电磁波的接收增强效应。本文利用电感耦合等离子体发生技术设计相应的实验平台，针对典型工况下的等离子体增强电磁波辐射的接收特性开展实验研究;建立了相应的物理模型并进行数值仿真分析。在数值仿真中，本文通过有限元法求解麦克斯韦方程组，分析了薄层等离子体增强接收微波电磁辐射的特性和机理，给出了等离子体关键参数对于增强电磁波辐射接收效应的影响规律。

1 实验设置及结果分析

1.1 实验平台设计

为了研究薄层等离子体对微波的接收增强特性，本文建立了相应的实验平台，如图1所示。在本实验中，等离子体在一个圆柱型真空区域里由电感耦合等离子体（ICP）发生器产生。ICP发生器为双层中空圆柱型结构，外层由圆柱型石英玻璃腔（直径160 mm，厚度5 mm，长度150 mm）制成，内层是石英玻璃管（直径为30 mm，厚度为1.5 mm，长度为200 mm）。其一端密封，另一端向空气开放。两个石英玻璃部件由两端的不锈钢盖固定在同轴的位置。工作气体控制系统和真空泵分别连接到不锈钢盖的对应结构上。实验中的工作气体为氩气（气压约10 Pa），13.56 MHz的射频功率源通过匝数为3的铜线圈电极缠绕在石英玻璃腔外，在中空圆柱型结构内部激发等离子体。

具有恒定辐射功率的电磁波由一个放置在远端的宽带加脊喇叭天线发射作为入射信号（可对入射信号做平面波近似），该天线与矢量网络分析仪（R&S ZNB 40）的端口1相连接。偶极子天线放置在石英玻璃管中心、并通过信号放大器（HP 8449B）连接到矢量网络分析仪端口2。则等离子体对电磁信号的调制效应可以通过矢量网络分析仪端口1和2之间的传输系数 |S21| 测定。

1.2 实验结果分析

利用上述的实验平台，本文测试了等离子体对接收微波信號的调制特性。通过分析矢量网络分析仪端口1和2之间的天线传输系数 |S21|，可以得到发射天线和接收天线之间的功率传输效率。比较存在等离子体时（ICP处于工作状态）的传输系数|S21|p 测试结果和无等离子体条件下（ICP处于关断状态）的传输系数 |S21|0，可以得到有、无等离子体作用下天线的接收功率比

在实验中，本文采用的参数是：ICP功率为350 W（得到的等离子体密度约为1017 m-3，对应等离子体频率约为3 GHz，大于入射电磁波频率（0.8～1.2 GHz），因此是超临界密度等离子体），等离子体层厚度约为6 cm（远小于入射电磁波波长（约30 cm），为亚波长尺度），背景气压约5 Pa。通过改变入射微波频率可得到有、无等离子体条件下的接收功率比随微波频率变化的曲线如图2所示。

从图2可以看出，在薄层等离子体调制下，可以对0.83～1.16 GHz的微波信号产生明显的接收增强，平均获得约5 dB的理想增强效果。这证明了利用等离子体增强GHz波段微波信号接收功率的可行性，为这一技术应用于通信领域提供了实验基础。同时可以看出，接收功率比随电磁波频率波动较大，在0.86 GHz和1.05 GHz处出现显著的增强锋，最高增益可以达到约10 dB。这说明在一定密度下等离子体对微波的增强特性与微波频率间具有一定依赖关系。本文还发现在这组参数下接收功率增强的频率带宽为330 MHz，对应的相对带宽为32.7%，即具有宽频带增强特性。这些结果展示了薄层等离子体增强微波信号接收技术完全可以应用到常用的L波段通信频率。

在研究薄层等离子体结构实现微波信号接收增强的同时，本文进一步关注了信号增强时的微波信道性质。为此本文分析了有、无等离子体时微波信号的相频特性和群时延特性，通过实验测得有无等离子体情况下S21相位和群时延随频率的变化曲线如图3所示。

从该图可以看出，经薄层等离子体结构增强的微波电磁信号与无等离子体时相比，相频特性只发生轻微改变，但整体仍然保持相当好的线性趋势。此外，经等离子体增强的微波电磁信号的群延迟时间也与无等离子体时处于同一水平。由此可见，圆筒型薄层等离子体结构在提高电磁信号强度的同时，也保持了良好的信号质量。这个结果进一步保证了薄层等离子体结构增强电磁辐射接收技术应用于微波通信系统的可靠性。

2 数值仿真

2.1 物理模型

图4是平面电磁波入射圆筒型等离子体薄层结构的示意图。

在数值仿真中，为了获取电场分布，需求解麦克斯韦方程组：

2.2 等离子体薄层中增强微波信号的机理分析

本文采用有限元方法求解上述方程组，研究微波在圆筒型等离子体薄层中的传输特性。

在第一步仿真计算中，针对1 GHz目标波段，本文设定等离子体密度ne=2.7×1016 m-3（对应等离子体频率约为1.5 GHz），圆筒型等离子体内/外半径为6 cm和9 cm（等离子体薄层厚度为3 cm，远小于入射电磁波波长），等离子体碰撞频率取为0。

在实际仿真计算中设定电磁波频率f0=0.947 GHz（波长约为30 cm），由此得到的圆筒型薄层等离子体中电场强度和电极化强度的分布如图5所示。从图5（a）可以看出，微波在薄层等离子体内外表面产生周期分布局域增强。这一现象类似纳米光学中已经深入研究过的局域表面等离子体极化激元（Surface Plasmon Polarization， SPP）共振现象[21-23]，即入射电磁波在内外表面上的分量激发起来的等离子体表面波在周期性条件下形成的驻波结构。斜入射的电磁波在等离子体表面激发沿表面传播的静电振荡电场（即朗谬尔振荡）：在外电场作用下，等离子体中电子被这个振荡电场拖拽并围绕离子振荡;在振荡过程中，电子与离子的分离会在等离子体表面产生净极化电荷，其密度为ρp=-·P，电极化强度为P=（εp-ε0）E。如图5（b） 所示，电极化强度与电场强度分布具有较好的一致性。显然，这个振荡电场引起等离子体内表面的电场增强，从而耦合到接近内表面的接收天线，导致接收信号增强。以上分析给出了上文实验中观察到等离子体包覆接收天线信号增强的原因。

2.3 微波频率变化对等离子体薄层增强效应的影响

实验中发现入射微波信号频率是影响等离子体薄层增强效应的一个重要参数。为了进一步研究其中的机理，本文通过固定其他参数、仅改变入射波频率，研究了不同的电磁波频率下在圆筒型等离子体薄层中激发的SPP电场。

设定圆筒型等离子体薄层参数与2.2节的情况相同，数值仿真得到不同入射微波频率下等离子体薄层中 电场强度|E| 的空间分布如图6所示。

可以看到，当数值仿真中入射电磁波频率分别为f0=0.812 GHz、0.897 GHz、0.947 GHz、0.978 3 GHz、0.998 44 GHz和1.074 5 GHz时，等离子体薄层中激发的电场呈现规则的周期性的增強分布，且被增强电场最高可达100 V/m。这些规则的周期分布场具有特定的环向波数m（即环向极小值的个数），可称为环形等离子体驻波本征模。随着入射波频率增大，对应的周期性本征模的波数增加。如图6（a）～图6（e），随着入射频率从0.812 GHz增加到0.998 GHz，驻波本征模的波数从m=6增加到m=14。但入射频率增加到一定数值，本征模驻波就很难形成更精细的结构。如图6（f），入射频率进一步增加到1.075 GHz，驻波本征模的波数反而减少到m=10。即高波数的驻波本征模在实验中难以发现。

2.4 等离子体厚度对微波增强的影响

从数值仿真结果可以看到，表面激发的SPP电场形成规则形状的场分布（如图5（a） 中m=10的模）是由特定结构的等离子体与外部电磁场之间的共振引起的。这种现象与许多束缚系统（如波导）中的本征模类似[23]。然而，本征频率和相应的场分布对等离子体的结构是十分敏感的，因此本文进一步对薄层厚度对等离子体的增强特性影响进行了系统研究。

在仿真模拟中设定电磁波频率f0 = 0.947 GHz，等离子体的外半径固定为9 cm，通过控制内半径参数，实现等离子体厚度在1～8 cm范围变化。不考虑等离子体碰撞因素，不同等离子体厚度条件下的电场增益如图7所示。

从图7中可以看出，随着等离子体厚度变化，电场增益在3 cm、4.1 cm和6.6 cm出现峰值。在图7（b）和图7（c）中给出了厚度d=4.1 cm和d=6.6 cm的电场强度空间分布。可以看到，等离子体厚度对电场增益影响显著。因为不同厚度下SPP场分布不同，总增益也不同。此外，比较图7（b）和图6（c）可知，在相同电磁波频率下，等离子体内径越小（厚度越大），激发出的本征模的波数越少，这种情况下增强电场主要集中在圆柱体的中心区域。

2.5 碰撞頻率对微波信号的等离子体增强的影响

以上数值仿真研究均设定等离子体中带电粒子的碰撞频率为零。这对于纳米光学的金属等离子体是适用的，但是对低气压ICP等离子体，碰撞的影响有时可能是不能忽略的。因此本文在这一节中研究电子与中性粒子碰撞频率对等离子体增强微波信号接收效果的影响。

圆筒型薄层等离子体对微波信号的增强效应与等离子体中电子-中性粒子碰撞频率之间的关系如图8（a）所示，同时图8（b）和图8（c） 分别给出了碰撞频率分别为0.01 GHz（远小于入射微波频率的弱碰撞情况）和1 GHz（约等于入射微波频率的强碰撞情况）时电场强度的空间分布。

设定等离子体厚度为3 cm。从图8（a）可以看出，随着碰撞频率的增加，电场增益逐渐降低。这是因为电子与中性粒子之间的碰撞将消耗电磁波能量，导致局域电场共振效应逐渐减弱，从而显著降低电场增益。其中在碰撞频率 < 0.05 GHz的弱碰撞区和1～10 GHz的强碰撞区，电场增益随碰撞频率下降的趋势基本相似;但是在0.05～1 GHz的中等强度碰撞区，下降较缓。而在碰撞频率>10 GHz（远远大于入射频率）的“超强”碰撞区，接收的微波信号几乎完全衰减。

由图8（b）可以看到电场增强集中在圆环柱形等离子体的表面。当等离子体中的碰撞频率较高时，如图8（c）所示，局域在表面附近的SPP电场因为碰撞效应逐渐“扩散”到等离子体中心区，等离子体表面场强分布逐渐模糊，电场增益显著减小。当碰撞频率非常高时（>10 GHz），入射信号几乎完全衰减掉。在这种情况下，等离子体薄层对于频率在1 GHz附近的电磁波几乎是不透明的。

3 结 论

本文通过实验研究了亚波长等离子体薄层对微波信号的接收增强，并利用数值仿真方法分析其机理，进一步深入研究了薄层等离子体结构对于微波信号接收增强的主要特性。得到结论如下：

1）实验中首次发现了圆筒形等离子体薄层结构对于微波信号的接收增强效果，得到在GHz波段的最大接收功率比可达10 dB，绝对接收功率增强的频率带宽为330 MHz，相对接收功率增强的频率带宽为32.7%。这些结果展示了等离子体对微波电磁信号的接收增强技术完全可以应用到通信常用的L波段。

2）等离子体薄层在增强微波信号强度的同时，对于信号质量影响极小，保持了微波信号的原有相频特性和群时延特性。

3）仿真模拟结果表明等离子体增强微波电磁辐射效应与局域表面等离子体极化激元（SPP）共振效应相类似。局域表面振荡电场会引起等离子体薄层内部的电场增强，从而使得天线接收信号增强。

4）特定参数的等离子体中存在不同波数的驻波本征模，本征模的波数与入射电磁波的频率密切相关;随着等离子体厚度增加，激发出的本征模波数减少，增强电场主要集中在圆柱体的中心区域;电子与中性粒子之间的碰撞将消耗电磁波的能量，从而降低电场增益。

以上结果证实了薄层等离子体结构对于微波电磁信号的接收增强的可行性，把握了这一效应的参数依赖特性，有助于推动等离子体增强微波辐射技术在通信领域的实际应用。

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（編辑：刘素菊）

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