等离子体内部电磁场探针研究与设计

发布时间：2020-03-20 21:09

【摘要】：高速飞行器再入大气层及高速目标在临近空间高速飞行时将与大气产生剧烈摩擦,使其动能持续转换成热能,持续产生的高温将大气电离成大量的中性粒子、正离子和自由电子,包覆在高速飞行器的表面,形成“等离子鞘套”。该层“等离子鞘套”将对射入其中的电磁波产生吸收、反射以及折射等作用,影响电磁波的传播,造成通信“黑障”,从而制约着临近空间的开发与利用。这些问题的本质都涉及高速目标等离子体的电磁科学问题。为了研究电磁波与等离子体的相互作用机理,利用电磁场探针技术,应用耦合原理,研究设计一种适应于等离子体内部电磁场测量的电磁场探针,以准确的获取等离子体内部电磁场分布幅值与相位,为进一步研究电磁波在等离子体中的传播过程及等离子体与电磁波互相作用机制提供一个科学的研究测量平台。本文首先介绍了基本的电磁辐射理论,分析了电磁场探针的基本工作原理,给出了电磁场探针的四个性能指标参数,包括:灵敏度、隔离度、带宽以及分辨率,并分别对各个性能参数进行了介绍,为探针的研究设计提供了标定标准。随后,分析了等离子体特性,由于传统的同轴结构探针无法适用于等离子体内部复杂的工作环境,对探针结构进行了转换,将同轴结构转换成共面波导结构,并进行了进一步的改进,将金属层保护在耐高温介质基片中,避免与等离子体直接接触。同时,给出了探针整体设计方案,该设计将探针尾部进行适当的加固加长,使探针能够深入到等离子体内部进行电磁场扫描测量。本文运用3D电磁仿真软件CST分别对共面波导结构电场探针和磁场探针进行了建模、仿真,研究了不同内导体长度、频率等对探针各项性能参数的影响。针对共面波导磁场探针不平衡结构导致扫描测量微带线表面Y方向磁场分布左右波峰不对称问题,提出了切实可行的结构改进方案,并仿真验证了该方案良好的测量效果。经综合考虑探针各项指标参数,本文所设计的电场探针内导体长度为3mm,接收功率达-36.6dBm,分辨率达1.5mm;改进后的磁场探针接收功率达-35.5dBm,分辨率达1.5mm。最后,对探针进行了实物加工,并搭建了电磁场扫描测量系统,分别对电场探针和磁场探针进行了扫描微带线表面电磁场分布实测,实测结果与仿真结果基本一致,验证了探针良好的工作性能,能够满足工程应用需求。
【图文】：

通过改变探针内导体的对应方向，能够分别测量 X 和 Y 方向的电场分量。（a）同轴磁场探针 （b）同轴法向电场探针 （c）同轴切向电场探针图1.1 同轴结构电磁场探针

这种探针的应用范围非常局限。（a）双环磁场探针 （b）方形磁场探针图1.2 磁场探针1991 年，Bansal 和 Grzybowski 研究设计了具有特殊结构的磁场探针[14]，与以往探针不同的是，该探针采用的是一种半环形结构，，虽然探针具有良好的性能，但是由于制造成本高昂，而且制作起来非常复杂，并不适用于大规模应用。为了解决所有与现有磁场探头有关的问题，1995 年，Yingjie Gao 和 Ingo Wolff 设计了一种新型的方形磁场探头[15]，如图 1.2（b）所示。该磁场探头可用于平面高频电路中的磁场分布测量。首先在 3×20mm RT Duorid 衬底（ 2.2, 0.5r=ε =h mm）上蚀刻探针和短传输线
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V419;O53

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本文编号：2592199