CN105304993B - 一种无阻尼电磁波功率传输装置 - Google Patents

Abstract

一种无阻尼电磁波功率传输装置，包括半开放式谐振腔本体(1)、输入端(2)、上盖(3)和输出端(4)，半开放式谐振腔本体(1)为一端开口的空心圆柱体，所述空心圆柱体的高度为H，底面半径为R。上盖(3)为半径为R1的圆盘，且R1>R，圆盘平行位于空心圆柱体的开口端且空心圆柱体的轴线经过圆盘的中心。输入端(2)和输出端(4)均为同轴电缆，且输入端(2)位于上盖(3)的中心位置，输出端(4)位于所述空心圆柱体的外侧底部且距离底部中心R/2～R/3位置处。本发明传输装置既保证了电磁波可以有效地从微波源向推力器传输，又避免了微波源与推力器之间的接触阻尼，可以大幅提高电推力器推力测量试验的操作性和测量精度。

Description

一种无阻尼电磁波功率传输装置

技术领域

本发明涉及一种微波功率传输装置，适用于电磁推力器的推力标定。

背景技术

近年来，作为一种新概念推进技术，电磁推进技术不断得到发展，已成为各国航天领域重点关注和研究的课题，相继开展了电磁推进技术的相关试验验证。为标定电磁推进产生的微小推力，需要排除由试验设备，如微波传输线等引起的干扰力矩以实现精确测量。

当前精确测量电磁推力器推力的方法是将电磁推力器安装在扭摆上，为推力器提供电磁波功率的微波设备与推力器之间由传输线连接，在加电情况下利用扭摆的位移反算出推力。为避免微波传输线干扰力矩对推力测量的影响，国内外通常采用将微波设备安装在扭摆配重端而将其供电导线与地面电源之间通过液态导电液实现无阻尼连接。该方法在测试中需将微波设备安装在扭摆上，会增加扭摆的承重从而降低测量精度；同时，由于导电液易蒸发，因此这种无阻尼连接方式不易操作且不能用于真空试验。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种电磁波功率传输装置，可以解决现有电磁推力器推力测量过程中微波传输线干扰力矩对推力测量的干扰问题。

本发明的技术解决方案是：一种无阻尼电磁波功率传输装置，包括半开放式谐振腔本体、输入端、上盖和输出端，所述的半开放式谐振腔本体为一端开口的空心圆柱体，所述空心圆柱体的高度为H，底面半径为R；所述的上盖为半径为R1的圆盘，且R1>R，所述的圆盘平行位于所述空心圆柱体的开口端，且空心圆柱体的轴线经过圆盘的中心，圆盘与空心圆柱体侧壁的距离0<dL1<πR/ν₀；所述的输入端和输出端均为同轴电缆，且输入端位于上盖的中心位置，输出端位于所述空心圆柱体的外侧底部且距离底部中心R/2～R/3位置处；所述空心圆柱体的高度为H和底面半径为R满足关系式：

其中，c为真空中的光速，f为电磁波的频率，ν₀是0阶贝塞尔函数J₀(k_cR)＝0的第1个非零根，k＝ω/c，ω＝2πf，k_c＝ν₀/R为电磁波的截止波数。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明将复合几何体传输腔体应用于微推力测量试验，基于电磁波在波导中的传播原理，利用开放式腔体替代微波传输线，既保证了电磁波可以有效地从微波源向推力器传输，又避免了微波源与推力器之间的接触阻尼，为该领域提供了一种无阻尼微波功率传输的实现方式。同时，基于本发明的装置能够将地面供电设备、微波设备、微波传输设备等与测力扭摆进行有效分离，极大地降低了扭摆的承重，进而大幅提高了电推力器推力测量试验的操作性和测量精度。

附图说明

图1为本发明传输装置的俯视图；

图2为本发明传输装置的正视图；

图3为本发明传输装置的侧视图。

图中1表示半开放式谐振腔本体；2表示输入端；3表示上盖金属圆盘；4表示输出端。

具体实施方式

本发明结合半开放式圆柱结构的传输性能和二维移动机构的屏蔽性能，形成复合几何体微波功率传输腔体。通过调节二维移动机构，在对中条件下可以将输入端输入的微波以满足功率衰减小于0.5dB要求的形式在输出端提取出来。

(一)给定微波频率f(单位GHz)，复合几何体传输腔体的半开放式谐振腔本体1按该谐振频率设计。根据给定微波频率f及所需谐振模式计算出半开放式谐振腔本体1的半径R(单位米)和高度H(单位米)。具体方法如下所示。

根据无源麦克斯韦方程组

其中E和H分别表示电磁波的电场分量和磁场分量，ε和μ分别表示电磁波在空气中的介电常数和磁导率，表示梯度算子，t表示时间。谐振腔内的电磁场满足齐次亥姆霍兹方程

其中为拉普拉斯算符。

由于电磁波满足时间简谐特点，具有因子exp(iωt)，因此可以将(2)式写为

其中ω＝2πf表示电磁波的角频率，i为虚数因子。将梯度算子写为：

其中表示梯度算子的横向分量，e_z表示轴向方向单位向量，z表示轴向方向(即圆柱腔体对称轴方向)。

本发明利用的是轴向传播的电磁波，可以假设电磁波在轴向具备传播因子exp(-βz)，其中β表示电磁波轴向波数。将(4)式代入(3)式，得到腔体内电磁波的电场分量满足公式

其中E_z表示电磁场轴向分量，并定义k＝ω/c，c表示真空中的光速。

通常取最低阶模式TM01模为输能装置中电磁波的形式，解(5)式得

E_z∝J₀(k_cr)exp(βz-iωt) (6)

其中J₀为0阶贝塞尔函数，且定义表示截止波数，r表示径向方向(以圆柱腔体对称轴为轴向方向，从对称轴指向圆柱腔体表面为r正向)。

为满足电磁波在传输腔体中输能的条件，β必须为虚数，即

k≥k_c (7)

当k＝k_c时的频率为截止频率，相应的电磁波波长为截止波长λ_c

根据腔体半径r＝R时E_z＝0的边界条件，在(6)式中存在关系式

J₀(k_cR)＝0 (9)

即

其中ν₀是0阶贝塞尔函数的第1个非零根。

将(10)式代入(8)式得

在λ≤λ_c约束条件下，电磁波频率f与腔体半径R之间存在关系式：

整理得

通常情况下取R＝c·ν₀/2πf，此即腔体半径R的设计公式。

对于腔体高度H的设计，需同时满足输入输出装置中天线安装的长度要求和电磁波传输的功率要求，可选取经验公式：

根据公式(13)和(14)即可得到腔体的基本尺寸要求，具体如图1、图2和图3所示。

(二)为保证电磁波在传输过程中的安全性，如图2和图3所示，要求

R1>R(15)并规定在实际使用中保持圆盘下表面与半开放式谐振腔本体1上表面之间的距离dL1满足小于半波长的要求

0<dL1<πR/ν₀ (16)

同时为保证输入圆盘与传输腔体之间无阻尼接触(即(16)式中dL1>0的规定)和二者之间的对中性，需要为本传输装置配置相应的支撑。

(三)参数匹配调整。在给定微波频率f，分别选取可以满足匹配要求的谐振腔谐振模式计算所需的开放式圆柱形谐振腔和金属圆盘尺寸，拼接后得到无阻尼电磁波功率传输设备复合体。

在实际使用过程中，可以在电磁仿真软件内建立三维电磁场模型(材质选用铜等良导体)，仿真计算品质因数Q、衰减系数等电磁波参数以优化复合体结构。仿真结果表明，在1.44～1.54GHz频段范围内，本发明传输设备能将大于90％的微波能量从输入端传输至输出端，满足电磁推力器推力测量试验要求。

(四)设备加工和电磁特性测量。

根据理论计算和软件仿真得到的参数可以加工出微波功率传输设备实物，为确认微波功率传输设备的电磁性能，可以利用矢量网络分析仪对微波功率传输设备的输入输出性能进行测量。经过电磁特性测量的微波功率传输设备即可用于电磁推力器的推力测量试验。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种无阻尼电磁波功率传输装置，其特征在于：包括半开放式谐振腔本体(1)、输入端(2)、上盖(3)和输出端(4)，所述的半开放式谐振腔本体(1)为一端开口的空心圆柱体，所述空心圆柱体的高度为H，底面半径为R；所述的上盖(3)为半径为R1的圆盘，且R1>R，所述的圆盘平行位于所述空心圆柱体的开口端，且空心圆柱体的轴线经过圆盘的中心，圆盘与空心圆柱体侧壁的距离为dL1，且0<dL1<πR/ν₀；所述的输入端(2)和输出端(4)均为同轴电缆，且输入端(2)位于上盖(3)的中心位置，输出端(4)位于所述空心圆柱体的外侧底部且距离底部中心R/2～R/3位置处；所述空心圆柱体的高度为H和底面半径为R满足关系式：

<mrow> <mi>R</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>c</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>v</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>f</mi> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mi>H</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>6</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>R</mi> </mrow> <msub> <mi>v</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> </mrow>

其中，c为真空中的光速，f为电磁波的频率，ν₀是0阶贝塞尔函数J₀(k_cR)＝0的第1个非零根，k_c＝ν₀/R为电磁波的截止波数。