CN110470917A - 一种应用于高温高速等离子体内部电场分布测量的耐高温电场探针 - Google Patents

Abstract

本发明属于等离子体测量技术领域，公开了一种应用于高温高速等离子体内部电场分布测量的耐高温电场探针。电场探针，用于接收空间电场信号及高温高速等离子体内部电场信号；支撑固定座，用于固定电场探针的陶瓷介质及同轴接头的安装固定，保护电场探针免受高速流动的等离子体的冲击破坏；同轴接头，用于向电场探针传输信号。本发明提供了应用于高温高速等离子体参数测量的耐高温电场探针，解决了常规探针不能适应高温的特点，探针为共面波导形式，并且探针被耐高温陶瓷材料包覆，从而使得探针具有耐高温性能。同时由于电场探针是蚀刻在介电常数为4.2的介质基板上的，从而也缩小为传统探针尺寸的倍，提高了探针灵敏度等优点。

Description

一种应用于高温高速等离子体内部电场分布测量的耐高温电 场探针

技术领域

本发明属于等离子体检测技术领域，尤其涉及高温高速等离子体内部的电场测量技术。

背景技术

目前，最接近的现有技术主要有以下几种：

1)传统的同轴结构，即通过将刚性同轴电缆的外导体剥离，用漏出的内导体作为接收电场信息的探针；

2)在Dahele和Cullen的研究中，使用同轴探针来测量微带线的电场，该同轴探针首先通过分析在矩形金属管中轴向悬浮的导线获得的已知场并进行校准，比传统探针在测量精度上有一些改进。

3)在Frayne的工作中，提出了一种扫描网络同轴单极探头，用于高于商用网络分析仪正常工作范围的高频电路诊断。此外还介绍了26-40GHz频段的一些测量结果，这与理论预测非常吻合。

4)Budka和Rebeiz报道了一种微波电路电场成像仪，使用单极子探针和偶极子探针来测量0.5-18GHz频率范围内的法向和切向电场，该单极子探针在频率带宽上有了很大提升。

5)1998年，Yingjie Gao和Ingo Wolff开发了用于测量电场X和Y分量的电偶极子探针。它的头部为一个电偶极子，尾部为一段共面波导传输线。这种结构被蚀刻在1.38mm×7.0mm的陶瓷基片上。偶极臂长100μm，偶极子宽20μm。共面传输线的特性阻抗为50Ω，连接到一个50Ω的半刚性同轴电缆上。为了避免传输线感应场，传输线的中心导体采用不导电胶进行隔离，两个接地层与银胶粘合在一起，使探头信号对称传输。为了确定电子系统辐射的电磁场，2006年D.Baudry,A.Louis,andB.Mazari在IRSEEM(电子嵌入式系统研究所)内开发了一套完全自动的近场探针扫描测量系统。此种探针可适用于高温介质，但无法适用于高速流动的等离子体。

综合以上对电场探针的研究成果，以往各探针均无法适用于高温高速等离子体流中的诊断，现有技术存在的问题是：电场探针需要承受短时间(约1秒)的3000K的高温工作，并且可承受约1马赫的等离子体流的冲击。

解决上述技术问题的难度：1)电场探针需要承受短时间(约1秒)的3000K的高温工作；2)可承受约1马赫的等离子体流的冲击，结构强度需要好。

解决上述技术问题的意义：可对高温高速等离子体内部进行电场测量，从而对高温高速等离子体进行详细的诊断和测量。对研究高温等离子体与电磁场的相互作用具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种应用于高温高速等离子体内部电场分布测量的耐高温电场探针。

本发明是这样实现的，一种耐高温电场探针，所述耐高温电场探针包括：

电场探针，用于接收空间电场信号；

支撑固定座，用于固定电场探针的陶瓷介质及同轴接头的安装固定，保护电场探针免受高速流动的等离子体的冲击破坏；

同轴接头，用于向电场探针传输信号。

进一步，所述电场探针由探针、探针地、过渡段、过渡段地及耐高温陶瓷介质组成；其中探针和过渡段相互连通的，探针地和过渡段地相互连通的；

电场探针采用共面波导形式，探针为共面波导的内导体，探针地为共面波导的外导体；在探针和同轴接头之间增加180mm的过渡段。

进一步，所述耐高温陶瓷介质分为两层板，其中探针、探针地、过渡段和过渡段地蚀刻在一层介质板的一侧，同样尺寸的另一块介质板为两面均无覆铜，两层介质板将含有蚀刻探针、探针地、过渡段和过渡段地的部分夹在中间。

进一步，所述耐高温陶瓷介质相对介电常数ε为4.2、单层介质板厚度H为1mm，陶瓷介质可承受温度＜1500℃，因而可承受短时间3000K的高温。

进一步，所述支撑固定座由固定腔体和安装法兰组成。

进一步，所述同轴接头由同轴内导体、同轴外导体和同轴法兰组成；

同轴接头的同轴法兰用螺钉紧固在安装法兰上，并且同轴内导体和同轴外导体分别与过渡段和过渡段地焊接。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述耐高温电场探针的高温高速等离子体内部电场测量系统。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述高温高速等离子体测量系统的航天器。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供了应用于高温高速等离子体内部电场测量的耐高温电场探针，解决了常规探针不能适应高温的特点，探针为共面波导(Coplanar Waveguide,CPW)形式，并且探针被耐高温陶瓷材料包覆，从而使得探针具有耐高温性能。由于电场探针是蚀刻在介电常数ε_r为4.2的介质基板上的，根据介质上线长的缩小理论，尺寸缩小为传统探针尺寸的倍，从而提高了探针接收灵敏度。本发明的电场探针用于接收电场信息，电场探针为一根针状结构。

本发明使用共面波导形式改进传统同轴探针，并将共面波导蚀刻在耐高温陶瓷基板的一面，与此同时用另一块相同尺寸的陶瓷基板将同轴探针夹在中间，并采用特殊的耐高温压接工艺，将两层陶瓷基板粘接成一体，既增强了单层陶瓷基板的结构强度，更避免了电场探针与高温等离子体的直接接触，从而也避免了等离子体被污染的可能。由于等离子区域尺寸较大，而为探针传输信号的同轴接头无法耐受上千摄氏度的高温，此处在同轴接头和电场探针中间增加了一段过渡段，从而使得探针处于等离子的核心位置，从而对等离子体进行诊断，而同轴接头可处于等离子体外部，避免了等离子体的高温损坏。同时高温等离子体具有很快的流动速度，如果单独将探针放置在等离子中，会有被折断的可能。因而在探针外部增加了支撑固定座，既保护了探针，同时也为同轴接头提供了固定的位置。

附图说明

图1是本发明实施例提供的耐高温电场探针的结构示意图；

图中：(a)耐高温电场探针整体结构沿yoz面示意图；(b)耐高温电场探针整体结构沿xoz面示意图；(c)耐高温电场探针前端部分沿yoz面示意图；(d)耐高温电场探针前端部分沿xoz面示意图；(e)耐高温电场探针同轴接头部分沿yoz面示意图；(f)耐高温电场探针同轴接头部分沿xoz面示意图。

图2是本发明实施例提供的耐高温电场探针的整体结构示意图；

图中：(a)耐高温电场探针整体尺寸沿yoz面标注图；(b)耐高温电场探针前端部分尺寸沿yoz面标注图；(c)耐高温电场探针前端部分尺寸沿xoz面标注图；(d)耐高温电场探针过渡段末端尺寸沿yoz面标注图。

图3是本发明实施例提供的本发明与传统同轴探针对比示意图；

图中：(a)耐高温CPW形式探针与传统同轴探针反射系数仿真结果图；(b)电场探针隔离度仿真结果；(c)电场探针扫描微带线法向电场分布仿真结果。

图4是本发明实施例提供的电磁探针过渡段S参数仿真结果图。

图5是本发明实施例提供的电场探针方向图三维方向图。

图1和图2中：1、电场探针；1-1、探针；1-2、探针地；1-3、过渡段；1-4、过渡段地；1-5、耐高温陶瓷介质；2、支撑固定座；2-1、固定腔体；2-2、安装法兰；3、同轴接头；3-1、同轴内导体；3-2同轴外导体；3-3、同轴法兰。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种应用于高温高速等离子体内部电场分布测量的耐高温电场探针，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的耐高温电场探针由电场探针1、支撑固定座2和同轴接头3组成。

电场探针1采用共面波导形式，并且电场探针1被两层陶瓷介质1-4夹在中间，避免了电场探针1与高温等离子体的直接接触。同时为了避免同轴接头3与高温等离子体的直接接触，在电场探针1和同轴接头3之间增加了过渡段1-3。并且将工作在频率2-12GHz的电场探针1与相应工作频率的过渡段1-3直接一体化设计，便于加工及一体化实现。高温等离子体具有很快的流动速度，如果单独将探针放置在等离子中，存在被折断的可能。因而在探针外部增加了支撑固定座，既保护了探针，同时也为同轴接头提供了固定位置。

在本发明的优选实施例中，电场探针1，用于接收电场信号，并通过过渡段1-3，传输到同轴接头3，再传输到接收机或测试矢量网络分析仪中。

在本发明的优选实施例中，支撑固定座2，用于固定电场探针1的陶瓷介质，包含探针免受高度流动的等离子体的冲击破坏，保证电场探针1能够稳定工作。

在本发明的优选实施例中，过渡段1-3和探针地1-2分别于同轴接头3的内导体和外导体焊接。

在本发明的优选实施例中，同轴接头3，用于接收电场探针1传输信号。

在本发明的优选实施例中，同轴接头固定在安装法兰2-2上。

如图1和图2所示，本发明的电场探针已经优化好，能够在2-12GHz频率上工作，探针长度尺寸为3mm，小于空间精度5mm的要求；具体电场探针结构几何尺寸参数如表1所示。

表1电场探针结构几何尺寸(单位/mm)

下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。

本发明利用商业仿真软件(CST)，对本发明的电场探针进行建模、仿真和优化，仿真结果如图3-图5所示，对电场探针的S参数在1-20GHz的频率范围内进行仿真计算。相同探针长度L1的情况下，耐高温CPW接头的探针比传统同轴探针的回波损耗具有明显的提升，见图3(a)所示。并且在探针长度L1＝3mm时，探针的灵敏度可达到-36.6dBm,体现了良好的灵敏度性能。

探针的隔离度又称为探针的定向选择性，是电场探针对电场极化选择的重要的性能参数。使用CST软件进行建模仿真，对仿真L1＝3mm时探针的隔离度，采用平面波对探针进行“照射”，平面波入射方向与探针整体垂直，调整平面波电场方向，使其分别与探针内导体成0°、45°和90°夹角，在探针末端设置电压监视器，读取探针末端的输出电压值，其中仿真频率为6GHz，仿真结果如图3(b)所示。从仿真图中可看出，探针的法向输出电压值要明显的高于切向输出电压值，且两者之间具有55dB的极化选择性，该仿真结果验证了探针良好的定向选择性。

探针的分辨率是探针测量精确度的体现，探针分辨率越高，说明探针测量到的场精度越高，测量结果越准确，结合CST软件进行建模仿真，仿真探针扫描测量微带线法向电场分布，仿真示意图如图3(c)所示。仿真结果显示，探针同样具有较高的灵敏度。

为了避免同轴接头被高温等离子体的损坏，在电场探针和同轴接头之间增加了一段180mm的过渡段，同时过渡段也在CST软件中进行了仿真，其中Port1为位于探针处的过渡段端口，Port2为位于同轴接头处的端口，其中仿真结果见图4。从仿真结果看，传输性能很好，回波损耗基本＞15dB，并且传输损耗很小。

探针的目的是为了接收空间的电场信号，探针的仿真三维方向图见图5所示，从仿真结果可看出，探针在它的周圈具有很强的辐射性能。

综上所述，天线仿真使用的是CST 2018仿真软件，优化设计的电场探针比传统同轴探针具有更好地反射系数，并且灵敏度、隔离度性能均较好，设计结果如图3-图5所示。结果表明该设计探针比传统探针具有更好的回波损耗，表明接收灵敏度将更高；同时探针实现了隔离度约55dB的极化选择度，比传统电场探针提高了近10dB的优良性能。同时为了验证探针的实际性能，将探针在微带线1mm表面进行仿真测试，结果显示，采用此探针测量结果和理论计算十分相近，从而验证了探针的真实价值。传统的探针仅注重电气性能，结构强度很差，此探针采用固定座保护，极大地增强了探针的结构强度，电气性能也基本没有受到影响，从而在高速流场中使用开辟了先河。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于高温高速等离子体内部电场分布测量的耐高温电场探针，其特征在于，所述耐高温电场探针包括：

电场探针，用于接收空间电场信号；所述电场探针由探针、探针地、过渡段、过渡段地及耐高温陶瓷介质组成；其中探针和过渡段相互连通的，探针地和过渡段地相互连通的；

电场探针采用共面波导形式，探针为共面波导的内导体，探针地为共面波导的外导体；在探针和同轴接头之间增加180mm的过渡段；

支撑固定座，用于固定电场探针的陶瓷介质及同轴接头的安装固定，保护电场探针免受高速流动的等离子体的冲击破坏；

同轴接头，用于向电场探针传输信号。

2.如权利要求1所述的耐高温电场探针，其特征在于，所述电耐高温陶瓷介质分为两层板，其中探针、探针地、过渡段和过渡段地蚀刻在一层介质板的一侧，同样尺寸的另一块介质板为两面均无覆铜，两层介质板将含有蚀刻探针、探针地、过渡段和过渡段地的部分夹在中间。

3.如权利要求2所述的耐高温电场探针，其特征在于，所述耐高温陶瓷介质相对介电常数ε为4.2、单层介质板厚度H为1mm，陶瓷介质可承受温度＜1500℃，承受3000K的高温。

4.如权利要求1所述的耐高温电场探针，其特征在于，所述支撑固定座由固定腔体和安装法兰组成。

5.如权利要求1所述的耐高温电场探针，其特征在于，所述同轴接头由同轴内导体、同轴外导体和同轴法兰组成；

同轴接头的同轴法兰用螺钉紧固在安装法兰上，并且同轴内导体和同轴外导体分别与过渡段和过渡段地焊接。

6.一种应用权利要求1～5任意一项所述耐高温电场探针的高温高速等离子体诊断系统。

7.一种安装有权利要求6所述高温高速等离子体诊断系统的航天器。