測(cè)量等離子體密度的微波標(biāo)量反射計(jì)設(shè)計(jì)

1.引言

微波測(cè)量方法是將電磁波作為探測(cè)束入射到等離子體中，對(duì)等離子體特性進(jìn)行探測(cè)，不會(huì)對(duì)等離子體造成污染。常規(guī)微波反射計(jì)也是通過(guò)測(cè)量電磁波在等離子體截止頻率時(shí)的反射信號(hào)相位來(lái)計(jì)算等離子密度。當(dāng)?shù)入x子密度較高且范圍較大時(shí)，需要寬頻帶的信號(hào)源進(jìn)行掃頻，這給反射計(jì)的設(shè)計(jì)帶來(lái)的巨大的困難。本文通過(guò)分析不同頻率時(shí)電磁波的反射率和等離子體碰撞頻率對(duì)電磁波反射率的影響，設(shè)計(jì)了一種標(biāo)量的反射計(jì)，反射計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且不需掃頻即可測(cè)量大范圍的等離子體密度。

2.電磁波在等離子體上的反射

研究等離子體波的問(wèn)題歸結(jié)于求色散關(guān)系。電磁波以任意角度入射到不同煤質(zhì)分界面上稱(chēng)為斜入射，在這種情況下，入射波、反射波和透射波的傳播方向都不垂直于分界面。

若入射波的電場(chǎng)垂直于入射平面，則稱(chēng)為垂直極化波。當(dāng)垂直極化電磁波在等離子表面垂直入射時(shí)可以求得電磁波在等離子體表面的反射系數(shù)。本文主要對(duì)等離子體密度大小為1013~1014/cm3,碰撞頻率為1010到1012,等離子體大小80mm到300mm的等離子經(jīng)行分析。

通過(guò)編程計(jì)算可以得到不同頻率電磁波在不同密度和碰撞頻率等離子體表面的反射系數(shù)變化，如圖1、圖2、圖3所示。當(dāng)?shù)入姶挪l率取100GHz時(shí)，因?yàn)樵诘入x子體密度范圍為1013~1014/cm3時(shí)，最大的截止頻率為89.8GHz,所以當(dāng)用100GHz電磁波入射等離子體時(shí)，電磁波將大部分穿過(guò)等離子，反射率很小。從圖3可以看出在電磁波的反射率在0到0.14之間逐步增大。圖1為電磁波頻率去58GHz時(shí)的反射率計(jì)算。

從圖1可以看出電磁波的反射率較大，從0到0.8左右變化，且變化趨勢(shì)較陡峭。當(dāng)電磁波頻率為10GHz,等離子密度為1×1014/cm3時(shí)，隨著碰撞頻率從1010到1011變化，反射率的變化如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)碰撞頻率變大時(shí)，反射率減小。因?yàn)楫?dāng)電磁波頻率為10GHz時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)，反射率較大。隨著碰撞平率的增大，等離子體對(duì)電磁波的反射將大幅減小。

通過(guò)上述分析可知，當(dāng)?shù)入x子體碰撞頻率改變時(shí)，對(duì)電磁波在等離子體面上的反射影響較大。當(dāng)?shù)入x子密度變化時(shí)，電磁波的反射率如圖1到3所示。圖中給出了不同碰撞平率下的反射率曲線(xiàn)。從圖3可以看出，當(dāng)電磁波頻率超過(guò)截止頻率是反射率非常小，所以不適合作為反射計(jì)的工作頻率。對(duì)比圖1和圖2,可以發(fā)現(xiàn)在電磁波頻率去10GHz時(shí)，反射率大，但是隨著，密度的改變反射率的改變率平緩，相反，當(dāng)電磁波平率取58GHz時(shí)，反射率較大，且隨著密度的改變反射率的改變量也較大，因此適合作為反射計(jì)的工作頻率。

3.反射計(jì)的設(shè)計(jì)

典型的反射計(jì)由兩只定向耦合器構(gòu)成，耦合器Ⅰ將投入負(fù)載的入射波2 b 的一小部分耦合出來(lái)(亦稱(chēng)取樣)由口4輸出成為4 b ;耦合器Ⅱ則將負(fù)載反射波2 a 取樣由口3輸出，成為3 b .

設(shè)兩只耦合器的方向性都屬理想，其耦合系數(shù)分別為C1和C2.故設(shè)法測(cè)出 3 b 和4 b 的復(fù)數(shù)比值便能得出被測(cè)負(fù)載的復(fù)反射系數(shù)Γ .標(biāo)量反射計(jì)的不同時(shí)僅需幅度信息，因而通常將兩個(gè)耦合輸出信號(hào)3 b 和4 b 都經(jīng)過(guò)幅度檢波器之后取得他們的模值，然后再求比值。檢波后在直流或低頻測(cè)量標(biāo)量比值比在微波頻率上測(cè)量復(fù)數(shù)比值在設(shè)備要求上更加容易解決。

反射計(jì)的工作頻率需要根據(jù)計(jì)算得到的電磁波在等離子表面的反射率曲線(xiàn)來(lái)確定。選擇反射率相對(duì)較大切在一定等離子體密度范圍內(nèi)變化較大的電磁波頻率作為工作頻率。反射計(jì)末端接一個(gè)天線(xiàn)，天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)等離子體層。耦合器1和耦合器2分別用來(lái)耦合入射波和反射波，耦合出來(lái)的電磁波用檢波器檢波，最后接自各自的指示器。通過(guò)測(cè)量反射率，可以通過(guò)計(jì)算獲得等離子體密度的大小。

4.結(jié)論

電磁波入射等離子時(shí)會(huì)發(fā)生反射。通過(guò)計(jì)算分析了等離子體密度為1013~1014/m3時(shí)，電磁波在等離子表面的反射率變化曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)電磁波在等離子體表面的反射計(jì)算，當(dāng)電磁波頻率去等離子體截止頻率上下線(xiàn)的中間值時(shí)，反射率較大且隨著密度的改變反射率的改變量也較大，適合作為反射計(jì)的工作頻率。確定反射計(jì)的工作頻率后，設(shè)計(jì)了一種用于等離子體密度測(cè)量的標(biāo)量微波反射計(jì)，克服了常規(guī)微波反射計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜需要寬帶掃頻源等難點(diǎn)，反射計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且不需掃頻即可測(cè)量大范圍的等離子體密度。