测量等离子体密度的微波标量反射计设计

1.引言

微波测量方法是将电磁波作为探测束入射到等离子体中，对等离子体特性进行探测，不会对等离子体造成污染。常规微波反射计也是通过测量电磁波在等离子体截止频率时的反射信号相位来计算等离子密度。当等离子密度较高且范围较大时，需要宽频带的信号源进行扫频，这给反射计的设计带来的巨大的困难。本文通过分析不同频率时电磁波的反射率和等离子体碰撞频率对电磁波反射率的影响，设计了一种标量的反射计，反射计结构简单且不需扫频即可测量大范围的等离子体密度。

2.电磁波在等离子体上的反射

研究等离子体波的问题归结于求色散关系。电磁波以任意角度入射到不同煤质分界面上称为斜入射，在这种情况下，入射波、反射波和透射波的传播方向都不垂直于分界面。

若入射波的电场垂直于入射平面，则称为垂直极化波。当垂直极化电磁波在等离子表面垂直入射时可以求得电磁波在等离子体表面的反射系数。本文主要对等离子体密度大小为1013~1014/cm3,碰撞频率为1010到1012,等离子体大小80mm到300mm的等离子经行分析。

通过编程计算可以得到不同频率电磁波在不同密度和碰撞频率等离子体表面的反射系数变化，如图1、图2、图3所示。当等电磁波频率取100GHz时，因为在等离子体密度范围为1013~1014/cm3时，最大的截止频率为89.8GHz,所以当用100GHz电磁波入射等离子体时，电磁波将大部分穿过等离子，反射率很小。从图3可以看出在电磁波的反射率在0到0.14之间逐步增大。图1为电磁波频率去58GHz时的反射率计算。

从图1可以看出电磁波的反射率较大，从0到0.8左右变化，且变化趋势较陡峭。当电磁波频率为10GHz,等离子密度为1×1014/cm3时，随着碰撞频率从1010到1011变化，反射率的变化如图2所示。

从图2可以看出，当碰撞频率变大时，反射率减小。因为当电磁波频率为10GHz时，处于截止状态，反射率较大。随着碰撞平率的增大，等离子体对电磁波的反射将大幅减小。

通过上述分析可知，当等离子体碰撞频率改变时，对电磁波在等离子体面上的反射影响较大。当等离子密度变化时，电磁波的反射率如图1到3所示。图中给出了不同碰撞平率下的反射率曲线。从图3可以看出，当电磁波频率超过截止频率是反射率非常小，所以不适合作为反射计的工作频率。对比图1和图2,可以发现在电磁波频率去10GHz时，反射率大，但是随着，密度的改变反射率的改变率平缓，相反，当电磁波平率取58GHz时，反射率较大，且随着密度的改变反射率的改变量也较大，因此适合作为反射计的工作频率。

3.反射计的设计

典型的反射计由两只定向耦合器构成，耦合器Ⅰ将投入负载的入射波2 b 的一小部分耦合出来(亦称取样)由口4输出成为4 b ;耦合器Ⅱ则将负载反射波2 a 取样由口3输出，成为3 b .

设两只耦合器的方向性都属理想，其耦合系数分别为C1和C2.故设法测出 3 b 和4 b 的复数比值便能得出被测负载的复反射系数Γ .标量反射计的不同时仅需幅度信息，因而通常将两个耦合输出信号3 b 和4 b 都经过幅度检波器之后取得他们的模值，然后再求比值。检波后在直流或低频测量标量比值比在微波频率上测量复数比值在设备要求上更加容易解决。

反射计的工作频率需要根据计算得到的电磁波在等离子表面的反射率曲线来确定。选择反射率相对较大切在一定等离子体密度范围内变化较大的电磁波频率作为工作频率。反射计末端接一个天线，天线对准等离子体层。耦合器1和耦合器2分别用来耦合入射波和反射波，耦合出来的电磁波用检波器检波，最后接自各自的指示器。通过测量反射率，可以通过计算获得等离子体密度的大小。

4.结论

电磁波入射等离子时会发生反射。通过计算分析了等离子体密度为1013~1014/m3时，电磁波在等离子表面的反射率变化曲线。通过对电磁波在等离子体表面的反射计算，当电磁波频率去等离子体截止频率上下线的中间值时，反射率较大且随着密度的改变反射率的改变量也较大，适合作为反射计的工作频率。确定反射计的工作频率后，设计了一种用于等离子体密度测量的标量微波反射计，克服了常规微波反射计结构复杂需要宽带扫频源等难点，反射计结构简单且不需扫频即可测量大范围的等离子体密度。