一种突破等离子体通讯黑障的结构、方法及飞行器

1.本发明涉及航空航天技术领域，具体而言，涉及一种突破等离子体通讯黑障的结构、方法及飞行器。


背景技术：

2.飞行器再入大气层时，飞行器壁与周围空气摩擦会产生等离子体鞘套，导致飞行器与地面通讯信号被等离子体鞘套强烈衰减，从而产生数十分钟的通讯黑障，严重威胁了宇航员的生命安全。例如，当飞行器以15马赫的速度再入大气层时，产生的等离子体频率约为1-10ghz，等离子鞘套的厚度约为10cm。根据drude模型，当入射波频率低于等离子体频率时，等离子体成为负介电常数材料，导致电磁波在等离子体鞘套中以倏逝波的形式衰减。
3.通讯黑障问题长期困扰航空工业，目前解决该问题的主要思路为降低等离子体频率和提高入射波频率方面，比如在飞行器周围喷洒亲电子物质以降低电子密度、增加磁窗降低天线周围电子密度或用太赫兹频率的波进行信号传输等。但是这些直观的物理方法在实际中很难实现，例如，施加强磁场会产生非常大的能耗问题，而高频电磁波在深空通讯中会受到强烈的干扰从而导致信号的失真。由于飞行器周围等离子体鞘套的产生以及相关机理较为复杂，目前的理论和地面模拟实验中均没有完美解决等离子体通讯黑障问题的方案。


技术实现要素：

4.本发明解决的问题是如何提供一种容易实现的突破等离子体通讯黑障的结构。
5.为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种突破等离子体通讯黑障的结构，包括介质柱，多个所述介质柱组成介质柱阵列，形成晶格结构，所述介质柱阵列用于置于等离子体中。
6.优选地，所述介质柱的材质为高介电常数材料。
7.优选地，所述介质柱的材质包括氧化铝、氧化锆和聚四氟乙烯中的其中一种。
8.优选地，所述介质柱的形状包括圆柱、方柱和棱柱中的其中一种。
9.优选地，所述介质柱的形状为圆柱，所述介质柱的直径为2-10mm。
10.优选地，所述介质柱的高度大于50mm。
11.优选地，所述晶格结构包括正方晶格结构、六角晶格结构和三角晶格结构中的其中一种。
12.优选地，所述介质柱阵列的晶格常数大于10mm。
13.本发明提供的突破等离子体通讯黑障的结构包括由多个介质柱组成的介质柱阵列，多个介质柱之间形成了晶格结构，将具有晶格结构的介质柱阵列置于等离子体中时，电磁波能够在不同介质柱之间相互耦合并向前传播，从而使电磁波突破等离子体形成的通讯黑障。本发明提供的突破等离子体通讯黑障的结构较为简单，容易实现等离子体通讯黑障的突破，不需要较大能耗，且不存在受到干扰导致的信号失真问题，在航空航天领域具有良
好的应用前景。
14.本发明还提供一种飞行器，包括如上所述的突破等离子体通讯黑障的结构。
15.本发明提供的飞行器相对于现有技术具有的有益效果，与突破等离子体通讯黑障的结构相同，在此不再赘述。
16.本发明还提供一种突破等离子体通讯黑障的方法，基于如上所述的突破等离子体通讯黑障的方法实现，将所述突破等离子体通讯黑障的结构置于等离子体内，形成等离子体光子晶体，使电磁波以倏逝波形式在所述突破等离子体通讯黑障的结构的不同介质柱之间相互耦合并向前传播，突破等离子体通讯黑障。
17.本发明提供的突破等离子体通讯黑障的方法相对于现有技术具有的有益效果，与突破等离子体通讯黑障的结构相同，在此不再赘述。
附图说明
18.图1为本发明实施例中等离子体中突破等离子体通讯黑障的结构的示意图；
19.图2为本发明实施例中介质柱阵列的原胞平面结构示意图；
20.图3为本发明实施例2中介质柱阵列的原胞平面结构示意图；
21.图4为本发明实施例3中介质柱阵列的原胞平面结构示意图；
22.图5为本发明实施例4中介质柱阵列的原胞平面结构示意图；
23.图6为本发明实施例1中等离子体光子晶体的能带图；
24.图7为本发明实施例2中等离子体光子晶体的能带图；
25.图8为本发明实施例3中等离子体光子晶体的能带图；
26.图9为本发明实施例4中等离子体光子晶体的能带图；
27.图10为本发明实施例1中等离子体光子晶体内电磁波透射率变化趋势图。
具体实施方式
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
30.等离子体是一种色散损耗介质，根据公式当入射的电磁波的频率低于等离子体频率时，等离子体的相对介电常数为负值，此时电磁波在等离子体内部会以指数形式衰减，从而导致通讯黑障问题，其中，公式中，εr为等离子体的相对介电常数，为等离子体的频率，其表达式为n为等离子体的电子密度，n为单位电荷，ε0为真空中相对介电常数，me为电子质量，ω为入射电磁波的角频率，v为电子与中性粒子碰撞频率。
31.在紧束缚模型描述的电子运动中，电子主要被束缚在原子实附近，呈现空间局域特性。此时将孤立原子看作零级近似，而将其他原子势场的影响看作微扰。紧束缚方法利用
原子轨道波函数对已知晶体周期结构的波函数作线性展开，进而计算出能带，且电子系统中紧束缚方法进一步被应用到具有周期性结构的光子系统中，用于求解光子晶体的能带结构。基于紧束缚模型，电子受原子实束缚，波函数在自由空间中衰减，而在光子晶体中，电磁波能在背景介质中自由传播。
32.飞行器再入大气层时会产生等离子体鞘套，等离子体截至频率的存在使得电磁波在等离子体中以倏逝波的形式衰减，而如果能够在等离子体中构造与紧束缚模型中光子晶体类似的结构，则有助于解决等离子体通讯黑障的问题。
33.本发明实施例提供一种突破等离子体通讯黑障的结构，包括介质柱，多个所述介质柱组成介质柱阵列，形成晶格结构，所述介质柱阵列用于置于等离子体中。
34.通过介质柱组成的介质柱阵列，形成了晶格结构，将其置于等离子体中时，形成类似于紧束缚模型中的光子晶体，入射等离子体的电磁波在等离子体中，能够在不同介质柱之间相互耦合并向前传播，从而突破等离子体通讯黑障，解决了电磁波在等离子体负背景中无法传播的问题。
35.也就是说，本发明实施例通过在等离子体内布置介质柱阵列，构造得到等离子体光子晶体，使电磁波能够通过等离子体光子晶体进行传播，解决了等离子体通讯黑障问题。
36.图1中展示了突破等离子体通讯黑障的结构的示意图，如图1所示，灰色半透明背景为等离子体背景，在等离子体背景中阵列分布的为介质柱阵列，不同介质柱之间形成了晶格结构。
37.具体地，低于等离子体频率的电磁波在进入等离子体后形成倏逝波，以倏逝波形式在不同介质柱之间相互耦合并向前传播，倏逝波在介质柱形成的等离子体光子晶体中不会衰减，因此能够实现电磁波的有效传播，从而突破等离子体通讯黑障。
38.其中，所述介质柱的材质为高介电常数材料。
39.应说明的是，高介电常数材料是指介电常数高于sio2的材料，其中，sio2的介电常数为3.7。
40.示例性地，介质柱的材质包括氧化铝、氧化锆和聚四氟乙烯。
41.在半导体中，原子周期性排列形成特定的晶格结构，电子在周期性势场中运动进而产生能带。类似地，在光子晶体中介电常数周期性变化也能够产生光子能带，而频率处于光子禁带时无法传播。
42.当介质柱的材质为高介电常数材料时，介质柱的介电常数显著高于等离子体中背景介质的介电常数，电磁波的能量能够更好地集中在介质柱上，呈现出能带效果，从而使电磁波能够在不同介质柱之间相互耦合并向前传播。
43.所述介质柱的形状不影响突破等离子体通讯黑障的效果，示例性地，介质柱的形状包括圆柱、方柱和棱柱的其中一种，也可以为其他形状。
44.在其中一个实施例中，介质柱的形状为圆柱，介质柱的直径为2-10mm。选择2-10mm的直径尺寸能够与深空通讯中ghz波段相匹配，达到更好的效果。
45.相应地，所述介质柱阵列的晶格常数大于10mm。能够与深空通讯中ghz波段进行良好匹配。
46.介质柱阵列中介质柱形成的晶格结构可以为任意晶格结构，示例性地，所述晶格结构包括正方晶格结构、六角晶格结构和三角晶格结构中的其中一种。
47.根据实际需要，通过本发明实施例提供的突破等离子体通讯黑障的结构可以构建二维等离子体光子晶体或者三维等离子体光子晶体，从而实现电磁波在不同方向上进行传播。
48.当为二维等离子体光子晶体时，介质柱阵列中介质柱在水平方向呈现周期性分布，而在垂直方向上，则根据实际情况进行调整，在条件允许的情况下，尽量提高介质柱的高度，从而使电磁波能够更好地在水平方向传播。示例性地，所述介质柱的高度大于50mm，从而更好的实现介质柱在水平方向的周期性分布，提高电磁波在介质柱阵列中的传播效果。
49.而当为三维等离子体光子晶体时，则介质柱阵列中介质柱不仅需要在水平方向呈现周期性分布，在垂直方向上也需要呈现周期性分布，从而使电磁波在多个方向上均能传播。
50.应说明的是，通过介质柱的介电常数、介质柱阵列中的晶格结构以及介质柱的尺寸等参数相互配合，使电磁波突破等离子体通讯黑障。
51.示例性地，利用紧束缚方法，能够预测出介质柱阵列中一个原胞内含不同数目格点时的能带特征。图2为正方晶格结构的介质柱阵列的其中一个原胞结构的示意图，原胞中包括6个格点，t0、t1和t'0表示不同介质柱之间的耦合强度，其与介质柱之间的距离成反比。
52.根据紧束缚模型的计算方法，通过下述公式计算得到原胞内包含6个介质柱的有效哈密顿量h：
[0053][0054]
其中，t0＝1/2，t'0＝1，e
ikx
和e
iky
分别表示x和y方向传播的相因子，k为波矢。
[0055]
然后，通过求解本征方程就能够得到上述哈密顿量的本征值。因此，通过紧束缚理论的计算，能够设计出满足目的的晶格结构。
[0056]
本发明的另一实施例提供一种飞行器，包括如上所述的突破等离子体通讯黑障的结构。
[0057]
本发明实施例提供的飞行器相对于现有技术具有的有益效果，与突破等离子体通讯黑障的结构相同，在此不再赘述。
[0058]
本发明的另一实施例提供一种突破等离子体通讯黑障的方法，基于如上所述的突破等离子体通讯黑障的结构实现，将所述突破等离子体通讯黑障的结构置于等离子体内，形成等离子体光子晶体，使电磁波以倏逝波形式在所述突破等离子体通讯黑障的结构的不同介质柱之间相互耦合并向前传播，突破等离子体通讯黑障。
[0059]
本发明实施例提供的突破等离子体通讯黑障的方法相对于现有技术具有的有益效果，与突破等离子体通讯黑障的结构相同，在此不再赘述。
[0060]
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0061]
实施例1
[0062]
本实施例构造的等离子体光子晶体中介质柱组成介质柱阵列，多个介质柱之间形成正方晶格的复式结构，介质柱的材质为氧化铝，介质柱的形状为圆柱，每个圆柱的直径为4mm，相对介电常数为9.4，每个原胞内包含6个格点，晶格常数为20mm。其中，本实施例中等离子体光子晶体的原胞结构如图2所示。
[0063]
实施例2
[0064]
本实施例构造的等离子体光子晶体中介质柱组成介质柱阵列，多个介质柱之间形成正方晶格的复式结构，介质柱的材质为氧化铝，介质柱的形状为圆柱，每个圆柱的直径为5mm，相对介电常数为9.4，晶格常数为30mm。其中，本实施例中等离子体光子晶体的原胞结构如图3所示。
[0065]
实施例3
[0066]
本实施例构造的等离子体光子晶体中介质柱组成介质柱阵列，多个介质柱之间形成正方晶格的复式结构，介质柱的材质为氧化铝，介质柱的形状为正方柱，每个正方柱的边长为4mm，相对介电常数为11，晶格常数为20mm。其中，本实施例中等离子体光子晶体的原胞结构如图4所示。
[0067]
实施例4
[0068]
本实施例构造的等离子体光子晶体中介质柱组成介质柱阵列，多个介质柱之间形成六角晶格结构，介质柱的材质为氧化铝，介质柱的形状为圆柱，每个圆柱的直径为6mm，相对介电常数为9.4，晶格常数为30mm。其中，本实施例中等离子体光子晶体的原胞结构如图5所示。
[0069]
实验例1
[0070]
采用comsol仿真软件分别对实施例1-4中不同等离子体光子晶体的能带进行仿真计算。
[0071]
仿真计算结果如图6-9所示，等离子体的截至频率为5.84hz，从图6-9中可以看出，在5.84hz以下的等离子体截至区域内，均存在能够支持电磁波传播的能带，从而突破等离子体通讯黑障。
[0072]
实验例2
[0073]
通过辉光放电等离子体发生装置模拟等离子体，并进行实验对上述结果进行验证。
[0074]
具体方法为：采用两块长120mm，宽100mm，厚5mm的金属钼电极平行放置在真空腔室内，间距保持为15mm，腔室内充入氩气，保持压强为60pa。在直流电源驱动下，两极板间会产生等离子体，电子密度在10
17
m-3
量级。利用宽频带喇叭天线测量电磁波在等离子体中的透过率s21，能够观察到在5.8ghz出现截至现象，低于该频率时，电磁波的透过率会随着放电电流的增加而降低，即说明等离子体的截至频率为5.8ghz。
[0075]
将实施例1构造的等离子体光子晶体置于两个金属钼电极之间，使介质柱垂直于金属钼电极(实验过程中根据金属钼电极的间距对介质柱的高度进行调整，使介质柱阵列能够放入两个电极之间)，调整放电电流分别为0、100ma和180ma，记录不同频率条件下电磁波的透过率s21。
[0076]
结果如图10所示，图10中横坐标表示频率，纵坐标表示电磁波的透过率s21，从图10可以看出，在3.3-4.4ghz的范围内(图10中灰色阴影部分)，电磁波的透射率不会随着放电电流的增大而衰减，与理论计算的结果相符，说明通过本发明实施例提供的方法能够实现电磁波在等离子体截止区域内的传播，突破等离子体通讯黑障。
[0077]
综上，通过对实施例1-4进行仿真计算，在多种晶格结构、晶格常数和采用不同介电常数的介质柱时，均能够在等离子体截至频率以下获得能带，实现电磁波在等离子体截至区域中传播。实验测试的结果与仿真计算的结果相符，进一步印证了本发明实施例提供的突破等离子体通讯黑障的方法能够实现电磁波在等离子体截止区域内的传播，解决等离子体通讯黑障问题。
[0078]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种突破等离子体通讯黑障的结构，其特征在于，包括介质柱，多个所述介质柱组成介质柱阵列，形成晶格结构，所述介质柱阵列用于置于等离子体中。2.根据权利要求1所述的突破等离子体通讯黑障的结构，其特征在于，所述介质柱的材质为高介电常数材料。3.根据权利要求2所述的突破等离子体通讯黑障的结构，其特征在于，所述介质柱的材质包括氧化铝、氧化锆和聚四氟乙烯中的其中一种。4.根据权利要求1所述的突破等离子体通讯黑障的结构，其特征在于，所述介质柱的形状包括圆柱、方柱和棱柱中的其中一种。5.根据权利要求4所述的突破等离子体通讯黑障的结构，其特征在于，所述介质柱的形状为圆柱，所述介质柱的直径为2-10mm。6.根据权利要求1所述的突破等离子体通讯黑障的结构，其特征在于，所述介质柱的高度大于50mm。7.根据权利要求1所述的突破等离子体通讯黑障的结构，其特征在于，所述晶格结构包括正方晶格结构、六角晶格结构和三角晶格结构中的其中一种。8.根据权利要求7所述的突破等离子体通讯黑障的结构，其特征在于，所述介质柱阵列的晶格常数大于10mm。9.一种飞行器，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的突破等离子体通讯黑障的结构。10.一种突破等离子体通讯黑障的方法，基于权利要求1-8任一项所述的突破等离子体通讯黑障的结构实现，其特征在于，将所述突破等离子体通讯黑障的结构置于等离子体内，形成等离子体光子晶体，使电磁波以倏逝波形式在所述突破等离子体通讯黑障的结构的不同介质柱之间相互耦合并向前传播，突破等离子体通讯黑障。

技术总结
本发明提供一种突破等离子体通讯黑障的结构、方法及飞行器，所述结构包括介质柱，多个所述介质柱组成介质柱阵列，形成晶格结构，所述介质柱阵列用于置于等离子体中。本发明提供的突破等离子体通讯黑障的结构较为简单，容易实现等离子体通讯黑障的突破，不需要较大能耗，且不存在受到干扰导致的信号失真问题，在航空航天领域具有良好的应用前景。航空航天领域具有良好的应用前景。航空航天领域具有良好的应用前景。


技术研发人员：袁承勋 李健飞 姚静锋 周忠祥 王莹 吕兴宝 周晨
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.12.08
技术公布日：2023/4/25