CN105790717B - 一种无工质微波推力器的微波源自适应调谐系统及采用该系统实现的微波源自适应调谐方法 - Google Patents
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Abstract
一种无工质微波推力器的微波源自适应调谐系统及采用该系统实现的微波源自适应调谐方法，涉及无工质微波推进领域。解决现有无工质微波推力器微波源产生的微波频率难以跟随谐振腔因体积变化，造成的固有频率变化的问题。压力传感器固定在圆台形空腔谐振器的底部，并用于采集圆台形空腔谐振器产生的推力信号，压力传感器数据信号输出端与信号分析仪的数据信号输入端连接，信号分析仪数据信号输出端与控制器数据信号输入端连接，控制器低频输出端与调频器的低频信号输入端连接，调频器高频信号输出端与功率放大器频率信号输入端连接，功率放大器的频率信号输出端输出的微波通过矩形波导输出至圆台形空腔谐振器的谐振腔内。用于微波源进行自适应调谐。
Description
技术领域
本发明涉及无工质微波推进领域。
背景技术
无工质微波推力器是一种新概念推力器，其不消耗燃料，利用微波源直接将微波辐射转换为推力。该系统由圆台形谐振腔、微波源、矩形波导和负载组成，其中微波源产生的微波通过矩形波导输入到圆台形谐振腔内，当谐振腔的固有频率和微波源输出的电磁波频率相同时，电磁波在腔内形成纯驻波与电磁压强梯度，从而能在谐振腔轴线方向产生推力。
目前，为了找到谐振空腔的谐振状态，通常做法是加工不同尺寸的谐振腔，与微波源进行匹配实验，从而确定最佳的谐振腔结构。此方法的缺点是推力器在工作过程中无法调整。考虑到太空环境下温差变化很大，会造成谐振体积发生变化，容易造成谐振腔的谐振频率发生变化，因此，需要解决谐振腔的调谐问题。
目前所采用的调谐方法是在谐振腔上采用一个活塞，连续对腔体进行微调，但是，其结构复杂、体积和质量增加，而且自动控制电路增加了系统的复杂性。
目前，都采用固定的微波源(比如说，磁控管微波源)，这些微波源只能发出固定频率的微波(如，2.43GHZ)，为了克服以上方法的局限性，因此，需要开发一种自适应调谐的微波源，自动跟随谐振腔的体积变化并改变微波频率。
发明内容
本发明是为了解决现有无工质微波推力器微波源产生的微波频率难以跟随谐振腔因体积变化，造成的固有频率变化的问题，本发明提供了一种无工质微波推力器的微波源自适应调谐系统及采用该系统实现的微波源自适应调谐方法。
一种无工质微波推力器的微波源自适应调谐系统，它包括圆台形空腔谐振器、压力传感器、信号分析仪、矩形波导、控制器、无线通讯电路和微波源，所述的微波源包括功率放大器和调频器；
压力传感器固定在圆台形空腔谐振器的底部，并用于采集圆台形空腔谐振器产生的推力信号，
压力传感器的数据信号输出端与信号分析仪的数据信号输入端连接，信号分析仪的数据信号输出端与控制器的数据信号输入端连接，控制器的低频输出端与调频器的低频信号输入端连接，调频器的高频信号输出端与功率放大器的频率信号输入端连接，功率放大器的频率信号输出端输出的微波通过矩形波导输出至圆台形空腔谐振器的谐振腔内；
无线通讯电路用于实现控制器与终端设备间的通讯。
采用一种无工质微波推力器的微波源自适应调谐系统实现的微波源自适应调谐方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、控制器通过无线通讯电路实时的接收地面发送的控制指令，控制器根据接收的控制指令，向调频器发出低频信号，该低频信号由起点值以0.05Hz为间隔依次递增发送直至终值，
步骤二、调频器对接收的低频信号进行调制，并输出高频信号至功率放大器，功率放大器对接收的高频信号进行功率放大后，通过矩形波导传输至圆台形空腔谐振器的谐振腔内；
步骤三、压力传感器实时的检测圆台形空腔谐振器产生的推力，并将检测的推力信号通过信号分析仪送至控制器，
当控制器在其所发送的低频信号的频段内，未检测到圆台形空腔谐振器产生推力时，控制器通过无线通讯电路发送数据信号至地面控制终端，地面控制终端改变频率重新给控制器发送新的控制指令，返回执行步骤一；
当控制器在其所发送的低频信号的频段内，检测到圆台形空腔谐振器产生推力时，控制器对其所发送的低频信号的频段内所对应的推力进行比较，获得推力最大值，且推力最大值所对应的功率放大器输出的高频信号的频率与圆台形空腔谐振器的谐振腔的固有频率相同，控制器通过无线通讯电路发送数据信号至地面控制终端，完成微波源的自适应调谐。
工作原理：
无工质微波推力器微波源发出的微波通过矩形波导输入到圆台形空腔谐振器的空腔内，当谐振空腔的固有频率和微波源输出的电磁波频率相同时，电磁波在腔内形成纯驻波与电磁压强梯度，从而能在谐振腔轴线方向产生推力。
航天器上的控制器接收地面的指令，向调频器输入一定频率的正弦信号，调频器的输出信号经功率放大器放大功率后，产生的微波由矩形波导传输给圆台形空腔谐振器的谐振空腔，如果此时的输入微波频率与谐振空腔的固有频率相同，则会产生推力，此时，压力传感器会产生电压信号，并传输给信号分析仪，电压信号经采样后传输给控制器，而后，控制器继续向调频器输入此频率的信号。如果功率放大器输出的微波频率与谐振空腔的固有频率不相同，则不会产生推力，此时，压力传感器不会产生电压信号，因此，信号分析仪无法采样到有效数据，控制器向地面回复空指令，地面需要重新发送指令以改变控制器输入给调频器的正弦信号的频率，直到功率放大器的输出微波频率与谐振空腔的固有频率相同且产生推力为止。
本发明带来的有益效果是，本发明采用功率放大器和调频器构成的微波源，取代了现有技术中只能产生固定频率的微波源，实现了微波源产生的微波频率，根据谐振腔固有频率的改变，而随之改变，实现了微波源的自适应调节。
附图说明
图1为本发明所述的一种无工质微波推力器的微波源自适应调谐系统的原理示意图；
图2为具体实施方式二中所述的调频器的内部电路连接关系图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种无工质微波推力器的微波源自适应调谐系统，它包括圆台形空腔谐振器1、压力传感器2、信号分析仪3、矩形波导4、控制器6、无线通讯电路8和微波源，其特征在于，所述的微波源包括功率放大器5和调频器7；
压力传感器2固定在圆台形空腔谐振器1的底部，并用于采集圆台形空腔谐振器1产生的推力信号，
压力传感器2的数据信号输出端与信号分析仪3的数据信号输入端连接，信号分析仪3的数据信号输出端与控制器6的数据信号输入端连接，控制器6的低频输出端与调频器7的低频信号输入端连接，调频器7的高频信号输出端与功率放大器5的频率信号输入端连接，功率放大器5的频率信号输出端输出的微波通过矩形波导4输出至圆台形空腔谐振器1的谐振腔内；
无线通讯电路8用于实现控制器6与终端设备间的通讯。
本实施方式，本发明采用功率放大器5和调频器7组合成微波源，可以产生变频率的微波，与现有技术中采用固定的微波源(例如，磁控管微波源)相比，本发明由功率放大器5和调频器7构成的微波源输出的微波可调，可根据因太空环境下温差变化，使谐振腔体积变化，造成的谐振腔的谐振频率发生的变化，进行自适应调节。
控制器6的低频输出端输出的低频信号降低了该调谐系统对控制器6的硬件要求，使得控制器6能以较小的功耗进行工作，同时，降低了信号失真的可能性。
实例分析：
控制器6接受地面发送的指令，然后向调频器7发出一定范围的低频信号。比如说，控制器6接收到的指令为001010(表示频率范围为2.40-2.41GHZ)，控制器6根据此指令向调频器7发送频率在24.0-24.1HZ范围内的低频信号，然后低频信号经过调频器7之后调制成高频信号，再经过功率放大器5进行功率放大后，传输给圆台形空腔谐振器1的谐振空腔。如果此间压力传感器2没有测到推力，亦即控制器6没有收到信号分析仪3发出的推力信号，则向地面发送空指令(例如000000回复指令)。地面收到回复指令后，再次发送指令(例如，001011，表示频率2.41-2.43GHZ)，控制器6根据此指令再次如前所述进行工作，若有推力产生，则锁定此频率区间，例如，最后测得产生推力的频率区间为2.425GHZ-2.426GHZ，则控制器6在此区间内进行细分度扫频，直到测得的推力达到最大值，例如，频率为2.4255GHZ时，推力最大，则控制器6向地面发送回复指令，此时认为谐振空腔处于谐振状态，没有偏频。
具体实施方式二：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种无工质微波推力器的微波源自适应调谐系统的区别在于，所述的调频器7包括变压器T、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、二极管D1、晶振Y1和三极管G1；
变压器T原边线圈的一端与控制器6的低频输出端连接，变压器T原边线圈的另一端与其副边线圈的另一端接电源地，变压器T副边线圈的一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与二极管D1的阳极和晶振Y1的一端同时连接，
晶振Y1的另一端与电阻R2的一端、电容C1的一端和三极管G1的基极同时连接，电阻R2的另一端与二极管D1的阴极、电阻R3的一端、电容C3的一端和电阻R5的一端同时连接，电阻R3的另一端和电容C3的另一端同时接电源地，
电容C1的另一端与电容C2的一端、电阻R4的一端和三极管G1发射极同时连接，电容C2的另一端和电阻R4的另一端同时接电源地，
三极管G1的集电极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与电阻R5的另一端连接，
电阻R6的两端作为调频器7的高频信号输出端。
本实施方式，调频器7内部电路是一个改进的皮尔斯晶体振荡器直接调频电路，其特点是功耗小，可调频范围广，中心频率稳定度得到提高。
具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种无工质微波推力器的微波源自适应调谐系统的区别在于，所述的压力传感器2的分辨率为微牛级。
本实施方式，压力传感器2可以测得谐振空腔端面产生的推力大小，其具有的高分辨率能够感应推力的微小变化。
具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式采用具体实施方式一所述的一种无工质微波推力器的微波源自适应调谐系统实现的微波源自适应调谐方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、控制器6通过无线通讯电路8实时的接收地面发送的控制指令，控制器6根据接收的控制指令，向调频器7发出低频信号，该低频信号由起点值以0.05Hz为间隔依次递增发送直至终值，
步骤二、调频器7对接收的低频信号进行调制，并输出高频信号至功率放大器5，功率放大器5对接收的高频信号进行功率放大后，通过矩形波导4传输至圆台形空腔谐振器1的谐振腔内；
步骤三、压力传感器2实时的检测圆台形空腔谐振器1产生的推力，并将检测的推力信号通过信号分析仪3送至控制器6，
当控制器6在其所发送的低频信号的频段内，未检测到圆台形空腔谐振器1产生推力时，控制器6通过无线通讯电路8发送数据信号至地面控制终端，地面控制终端改变频率重新给控制器6发送新的控制指令，返回执行步骤一；
当控制器6在其所发送的低频信号的频段内，检测到圆台形空腔谐振器1产生推力时，控制器6对其所发送的低频信号的频段内所对应的推力进行比较，获得推力最大值，且推力最大值所对应的功率放大器5输出的高频信号的频率与圆台形空腔谐振器1的谐振腔的固有频率相同，控制器6通过无线通讯电路8发送数据信号至地面控制终端，完成微波源的自适应调谐。
本实施方式，实现了微波源的自适应调谐，控制器6采用分段扫频工作方式，提高了地面终端对微波源的故障诊断能力。
Claims (3)
1.一种无工质微波推力器的微波源自适应调谐系统，它包括圆台形空腔谐振器(1)、压力传感器(2)、信号分析仪(3)、矩形波导(4)、控制器(6)、无线通讯电路(8)和微波源，所述的微波源包括功率放大器(5)和调频器(7)；
压力传感器(2)固定在圆台形空腔谐振器(1)的底部，并用于采集圆台形空腔谐振器(1)产生的推力信号，
压力传感器(2)的数据信号输出端与信号分析仪(3)的数据信号输入端连接，信号分析仪(3)的数据信号输出端与控制器(6)的数据信号输入端连接，控制器(6)的低频输出端与调频器(7)的低频信号输入端连接，调频器(7)的高频信号输出端与功率放大器(5)的频率信号输入端连接，功率放大器(5)的频率信号输出端输出的微波通过矩形波导(4)输出至圆台形空腔谐振器(1)的谐振腔内；
无线通讯电路(8)用于实现控制器(6)与终端设备间的通讯；
其特征在于，所述的调频器(7)包括变压器T、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、二极管D1、晶振Y1和三极管G1；
变压器T原边线圈的一端与控制器(6)的低频输出端连接，变压器T原边线圈的另一端与其副边线圈的另一端接电源地，变压器T副边线圈的一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与二极管D1的阳极和晶振Y1的一端同时连接，
晶振Y1的另一端与电阻R2的一端、电容C1的一端和三极管G1的基极同时连接，电阻R2的另一端与二极管D1的阴极、电阻R3的一端、电容C3的一端和电阻R5的一端同时连接，电阻R3的另一端和电容C3的另一端同时接电源地，
电容C1的另一端与电容C2的一端、电阻R4的一端和三极管G1发射极同时连接，电容C2的另一端和电阻R4的另一端同时接电源地，
三极管G1的集电极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与电阻R5的另一端连接，
电阻R6的两端作为调频器(7)的高频信号输出端。
2.根据权利要求1所述的一种无工质微波推力器的微波源自适应调谐系统，其特征在于，所述的压力传感器(2)的分辨率为微牛级。
3.采用权利要求1或2所述的一种无工质微波推力器的微波源自适应调谐系统实现的微波源自适应调谐方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一、控制器(6)通过无线通讯电路(8)实时的接收地面发送的控制指令，控制器(6)根据接收的控制指令，向调频器(7)发出低频信号，该低频信号由起点值以0.05Hz为间隔依次递增发送直至终值，
步骤二、调频器(7)对接收的低频信号进行调制，并输出高频信号至功率放大器(5)，功率放大器(5)对接收的高频信号进行功率放大后，通过矩形波导(4)传输至圆台形空腔谐振器(1)的谐振腔内；
步骤三、压力传感器(2)实时的检测圆台形空腔谐振器(1)产生的推力，并将检测的推力信号通过信号分析仪(3)送至控制器(6)，
当控制器(6)在其所发送的低频信号的频段内，未检测到圆台形空腔谐振器(1)产生推力时，控制器(6)通过无线通讯电路(8)发送数据信号至地面控制终端，地面控制终端改变频率重新给控制器(6)发送新的控制指令，返回执行步骤一；
当控制器(6)在其所发送的低频信号的频段内，检测到圆台形空腔谐振器(1)产生推力时，控制器(6)对其所发送的低频信号的频段内所对应的推力进行比较，获得推力最大值，且推力最大值所对应的功率放大器(5)输出的高频信号的频率与圆台形空腔谐振器(1)的谐振腔的固有频率相同，控制器(6)通过无线通讯电路(8)发送数据信号至地面控制终端，完成微波源的自适应调谐。
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