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飞行器再入返回地面的过程中,会在高空稀薄大气层内高速飞行,气动加热使高温气体电离,形成一层等离子鞘套,对地面和飞行器之间的通信信号传播产生影响,甚至造成通信信号中断,形成通信黑障。要有效解决黑障问题,首先需要获得等离子鞘套的参数分布。本文通过微波反射法诊断非均匀等离子体的电子密度分布。在实际应用中,信号是通过天线发射出去的,因此,本文在研究线性调频信号(LFM)诊断非均匀等离子体电子密度分布的方法基础上,设计了超宽带vivaldi天线,并采用天线发射线性调频信号,利用上述方法对天线发射及接收到的信号进行处理,得到等离子体电子密度的分布。本文具体工作主要包括:1.本文研究了微波反射法诊断低碰撞频率情况下非均匀等离子体电子密度分布的原理,根据微波在等离子体中的传播特性,提出了利用混和多频信号和线性调频信号诊断的两种方案,对两者的可行性进行了分析,并对其优缺点进行了对比,最终选择了具有更大优势的线性调频信号诊断方法。2.研究了Vivaldi超宽带天线的设计原理,并结合等离子鞘套电子密度参数的范围给出了超宽带天线的设计指标要求,考虑到已有的天线及实际天线的工程实现问题,本文对2GHz~11GHz和10GHz~29GHz两个频段天线进行设计,最终设计完成的天线性能满足增益好,尺寸小,方向性好,S11<-10dB的指标。3.开展了线性调频信号诊断非均匀等离子体分布的仿真研究。利用线性调频信号直接入射高斯上升分布的非均匀等离子体,通过将反射信号与发射信号进行混频、低通滤波、自适应时频分析、瞬时频率提取等一系列处理,得到等离子体电子密度的分布。文中对峰值电子密度为不同量级的非均匀等离子体进行了诊断,得到了相对的电子密度分布情况,该分布与实际电子密度分布较好的吻合。4.通过Vivaldi天线向非均匀等离子体发射线性调频信号。首先通过对比时域仿真与频域仿真得到的Vivaldi天线S11参数验证了时域仿真的有效性,进而建立天线-非均匀等离子体模型。然后选择2GHz~11GHz频段的天线,通过该天线向呈高斯上升分布的非均匀等离子体发射频率从2GHz到11GHz线性增加的线性调频信号,再利用3中的数据处理方法得到了非均匀等离子体电子密度的分布结果,在对影响因素进行分析后,得知该结果与实际分布具有一致性。本文研究了使用天线发射线性调频信号诊断非均匀等离子体电子密度分布的方法,得到了良好的结果,为等离子体诊断技术的实际应用提供了重要的指导。