CN110544826A - 一种用于高温等离子体诊断技术的耐高温聚焦透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于等离子体参数诊断及测量技术领域，公开了一种用于高温等离子体诊断技术的耐高温聚焦透镜天线，耐高温聚焦透镜，用于对电磁波的折射及聚焦；喇叭馈源，用于发射或接收电磁波信号；天线支架，用于耐高温聚焦透镜及喇叭馈源的支撑及固定；配重块，用于平衡耐高温透镜和喇叭馈源的重量。本发明提供了适用于高温等离子体透射诊断、点聚焦透镜天线，解决了传统喇叭天线不能聚焦、无法耐受高温的缺点。聚焦透镜天线的口径为200mm，聚焦位置位于透镜前方350mm。实测聚焦焦斑＜22mm，极大的减小了电磁波对等离子体绕射的影响。透镜采用耐高温石英材料，在温度低于1100℃下长期稳定工作。

Description

一种用于高温等离子体诊断技术的耐高温聚焦透镜天线
技术领域
本发明属于等离子体参数诊断或测量技术领域，尤其涉及高温等离子体的参数诊断及测量。
背景技术
目前，等离子体参数的诊断和测量是研究热点，其最新的诊断和测量技术如下：静电探针法，光谱学法，微波诊断法等。
静电探针法又称为朗缪尔探针法，由Irving Langmuir于1924年提出，是最早用于等离子体特性诊断的方法，并且一直被沿用至今。该方法利用导电针尖测量等离子体的伏安特性曲线，进而推算出等离子体有关参数。由于探针的针尖与等离子体直接接触，不可避免会扰动被测等离子体，同时探针尖端的材料常会对等离子体环境造成一定程度的污染，因此也存在一些缺点。光谱法测量是对等离子体没有影响的一种测量方法，其通过对等离子体中离子或中性粒子的发射光谱进行分析，从而也是一种研究离子输运行为和测量等离子体参数的重要手段。微波诊断法是从20世纪六、七十年代发展起来的一种非接触式的等离子体密度诊断方法。其基本原理是将等离子体视为具有色散特性的电介质，当微波穿透不同的等离子体时，会产生不同的衰减和传播时延，通过测量透射信号(等离子体存在时)和参考信号(等离子体不存在时)的不同衰减和相位差，再根据电磁波理论便可间接推导出电子密度等关键参数。
综合以上对等离子诊断的研究方法中，静电探针需要深入到等离子体内部，对等离子体环境会产生干扰和污染，光谱学测量尽管不需要深入到等离子体内部，但其设备及测量成本较高，因而微波透射诊断是一种最有效且简便的方法。
微波透射诊断是在等离子体区域的两侧架设一对收发天线，天线一般选用聚焦透镜天线。原因是将聚焦天线的焦点放在等离子体区域的中心部分，从而尽量减小微波信号绕开等离子传播的绕射现象，因此聚焦透镜天线是等离子体诊断的必备部件。然而传统的聚焦透镜天线采用聚四氟乙烯为透镜，聚四氟乙烯的熔点仅为327℃。结合热力学仿真软件，透镜处的温度约1000℃，因而若采用聚四氟乙烯材料做透镜，在1000℃时会被瞬间气化，因而是无法使用的。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有的静电探针深入到等离子体内部，对等离子体环境会产生干扰和污染，光谱学测量尽管不需要深入到等离子体内部，但其设备及测量成本较高。
(2)现有的微波透射诊断在等离子体区域的两侧架设一对收发天线，采用聚四氟乙烯为透镜，聚四氟乙烯的熔点为327℃，在温度高于1000℃时肯定是瞬间被气化，因而是无法使用的。
解决上述技术问题的难度：1)等离子体的诊断需要采用微波透射诊断，而微波天线需要具有聚焦功能，焦斑尺寸越小越好；2)聚焦透镜需要承受高温，耐高温必须＞1000℃。
解决上述技术问题的意义：1)可对高温等离子体进行更精确的诊断；2)加深对等离子体与电磁场的相互作用的理解；3)对聚焦透镜天线耐高温材料的选择进行更广阔的拓展。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于高温等离子体诊断技术的耐高温聚焦透镜天线。
本发明是这样实现的，一种用于高温等离子体诊断技术的耐高温聚焦透镜天线，所述耐高温聚焦透镜天线包括：
耐高温聚焦透镜，用于对电磁波的折射及聚焦；
喇叭馈源，用于将电磁波对透镜天线进行照射馈电；
天线支架，用于耐高温聚焦透镜及喇叭馈源的支撑和固定；
配重块，用于平衡耐高温聚焦透镜和喇叭馈源的重量。
进一步，所述耐高温聚焦透镜采用石英材料加工。
进一步，所述耐高温聚焦透镜由第一透镜和第二透镜组成；
第一透镜，将喇叭馈源发射的球面波转化为平面波；第二透镜，将平面波再转化为球面波，聚焦在所需的焦点上。
进一步，所述第一透镜和第二透镜的曲线均为双曲线，其中第一透镜的曲线为：
其中n为透镜的折射率，x1的取值范围为(0，22.58mm)；
其中第二透镜的曲线为：
其中n为透镜的折射率，x2的取值范围为(0，14.2mm)。
进一步，所述喇叭馈源由喇叭部分和波导同轴转换组成；材料选用铜材。
进一步，所述天线支架由透镜支架和馈源支架组成，材料为耐高温不锈钢。
进一步，所述配重块为耐高温不锈钢材料。
进一步，所述高温等离子体诊断技术、耐高温聚焦透镜天线在26.5-40GHz频率上工作，聚焦透镜的有效口径为200mm，天线聚焦在前方350mm处。
本发明的另一目的在于提供一种用于高温等离子体诊断技术的耐高温聚焦透镜天线的等离子体微波透射诊断测量系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供了一种用于高温等离子体诊断技术的耐高温聚焦透镜天线，解决了传统喇叭天线不能聚焦、无法耐受高温的缺点。本点聚焦透镜天线的口径为200mm，聚焦位置位于透镜前方的350mm，实测聚焦焦斑＜22mm，从而极大的减小了电磁波对等离子体绕射的影响。透镜采用耐高温石英材料，可在温度低于1100℃下长期稳定工作。同时石英材料的介电常数εr为3.8，若采用传统特氟龙材料(εr＝2.1)，在相同200mm口径下，厚度仅为特氟龙材料的50.5％，重量为特氟龙材料的51.5％，因而此发明在高温等离子体透射诊断中具有重要的意义。
本发明提供了可耐高温的聚焦透镜天线，对高温等离子体的精确诊断提供了方法。通过对等离子体的透射诊断，从而获得等离子体的关键参数，也可深入研究等离子体与电磁波的相互作用。
本发明的耐高温透镜采用石英材料，石英材料熔点为1750℃，可在温度低于1100℃时长期稳定工作，这对聚焦天线的新材料的引入做了实际的验证。聚焦透镜天线经理论计算，结合CST 2018仿真设计，并进行了加工和测试，测试结果显示，透镜天线的焦斑在频率30GHz时小于22mm，远远满足等离子体透射的诊断需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高温等离子体诊断技术、耐高温聚焦透镜天线的结构示意图；
图中：(a)耐高温聚焦透镜天线的整体结构组成图；(b)耐高温透镜的结构组成图；(c)喇叭馈源的结构组成图。
图2是本发明实施例提供的耐高温聚焦透镜天线的结构尺寸图；
图中：(a)耐高温透镜天线整体结构尺寸图；(b)耐高温聚焦透镜尺寸标注图；(c)耐高温聚焦透镜的透镜1的双曲线关系图。
图3是本发明实施例提供的喇叭馈源仿真方向图。
图4是本发明实施例提供的耐高温聚焦透镜天线整体仿真S11曲线及三维电场仿真分布图；
图中：(a)耐高温聚焦透镜天线S11仿真曲线；(b)耐高温聚焦透镜天线沿着传播方向的三维仿真电场分布图；(c)耐高温聚焦透镜天线在焦点平面上的电场仿真分布图。
图5是本发明实施例提供的耐高温聚焦透镜天线在焦点平面的实际测量的二维能量分布图；
图中：(a)耐高温聚焦透镜天线在焦点所在平面沿电场方向的能量分布图；(b)耐高温聚焦透镜天线的焦点所在平面沿磁场方向的能量分布图。
图1中：1、耐高温聚焦透镜；1-1、透镜1；1-2、透镜2；2、喇叭馈源；2-1、喇叭部分；2-2、波导同轴转换；3、天线支架；3-1、馈源支架；3-2、透镜支架；4、配重块。
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，本发明提供了一种用于高温等离子体诊断技术的耐高温聚焦透镜天线，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高温等离子体诊断技术、耐高温聚焦透镜天线包括：耐高温聚焦透镜1、喇叭馈源2、天线支架3、配重块4。
耐高温聚焦透镜1，用于对电磁波的折射及聚焦。
喇叭馈源2，用于将电磁波对透镜天线进行照射馈电。
天线支架3，用于耐高温聚焦透镜1及喇叭馈源2的支撑和固定。
配重块4，用于平衡耐高温聚焦透镜1和喇叭馈源2的重量。
进一步，耐高温聚焦透镜由第一透镜和第二透镜组成，第一透镜是将喇叭馈源发射的球面波转化为平面波，第二透镜是将平面波再转化为球面波，聚焦在所需的焦点上；
在本发明的优选实施例中，耐高温聚焦透镜1，用于对电磁波进行折射和聚焦。透镜采用石英材料加工，石英材料的熔点为1750℃，可在高温低于1100℃时长期稳定工作。其中耐高温聚焦透镜1由第一透镜1-1和第二透镜1-2组成。第一透镜1-1的作用是将喇叭馈源2发射的球面波转换为平面波，第二透镜1-2的作用是将第一透镜1-1转换的平面波再转换为球面波，聚焦在焦点O2处。
第一透镜1-1和第二透镜1-2的曲线均为双曲线，其中第一透镜1-1的曲线为：
其中n为透镜的折射率，x1的取值范围为(0，22.58mm)。
其中第二透镜1-2的曲线为：
其中n为透镜的折射率，x2的取值范围为(0，14.2mm)。
在本发明的优选实施例中，喇叭馈源2，用于将电磁波对喇叭馈源进行照射馈电。喇叭馈源2由喇叭部分2-1和波导同轴转换2-2组成，材料选用铜材，也是为了适应耐高温选择的。
在本发明的优选实施例中，天线支架3，用于对耐高温聚焦透镜1和喇叭馈源2的支撑作用。天线支架3由透镜支架3-1和馈源支架3-2组成，材料为耐高温不锈钢。
在本发明的优选实施例中，配重块4，用于平衡耐高温透镜和喇叭馈源的重量，使整个天线的重心在天线的中部附近，保证天线摆放和安装的安全与便利，配重块选材也为耐高温不锈钢材料。
如图1和图2所示，本发明的耐高温聚焦透镜天线已经优化好，能够在26.5-40GHz频率上工作，聚焦透镜的有效口径为200mm，天线聚焦在前方350mm处。具体耐高温透镜的曲线见式(1)和(2)，其结构几何尺寸参数如表1所示。
表1耐高温聚焦透镜天线结构几何尺寸
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 2018，对本发明的耐高温聚焦透镜天线进行建模、仿真和优化，仿真结果如图3-图5所示。图3为喇叭馈源的仿真方向图。喇叭馈源的设计对透镜辐射效率起到十分重要的影响。透镜天线属于透射型天线，可参考反射面天线馈源的设计，因此对馈源的照射电平需要详细考虑。照顾到辐射效率，喇叭馈源的照射电平为下降-9dB进行设计，见图3所示。
耐高温透镜天线的聚焦性能是其最重要的参数，因此在仿真软件中提供了聚焦性能的仿真结果。图4(a)为天线整体的反射系数的仿真曲线，从仿真结果看，在整个频带26.5-40GHz的频带范围内，天线的反射很小，电磁波信号基本全部辐射出去。图4(b)为频率为30GHz的三维仿真电场分布图，从仿真结果看，电磁波在距离透镜350mm的位置处形成了明显的聚焦，与理论计算十分吻合。图4(c)为频率为30GHz，在焦点平面上的二维仿真电场分布图，从仿真结果看，电磁波在焦点平面上形成了十分明显的聚焦，中心处电场很强，四周的电场能量迅速下降。
耐高温透镜天线的在仿真中得到了良好聚焦性能的验证，为了验证理论计算和仿真的有效性，透镜天线被进行了加工测试的验证。图5为在透镜的焦点平面上进行的聚焦性能的测试。图5(a)为在聚焦平面上，沿着透镜天线电场方向测量的能量分布图，图5(b)为在聚焦平面上，沿着透镜天线磁场方向测量的能量分布图。从测量结果看，大部分能量聚焦在中心，透镜焦斑尺寸为22mm，也就是能量的3dB下降点被限制在直径为22mm的区域以内，从而显示了透镜天线聚焦性能十分好。
综上所述，耐高温聚焦透镜天线的发明是经历了理论计算、仿真优化、测试验证等过程。为了适应透镜天线的耐高温性能，透镜选用耐高温石英材料，石英的熔点是1750℃，可在温度低于1100℃时长期稳定工作。同时喇叭馈源、天线支架、配重块等部分也是选用耐高温金属材料加工，保证透镜天线的高温适应性，并且石英材料是在毫米波频段的聚焦为首次使用。
为了提高设计的有效性和快速性，耐高温透镜天线的设计结合CST 2018的仿真，通过仿真优化，聚焦透镜天线在焦距350mm的位置上形成了明显的聚焦效果，和理论计算十分吻合。天线也被进行了加工、测试验证，从测试结果看，天线在指定的焦点平面上的焦斑尺寸＜22mm，比传统聚焦透镜有更好地聚焦性能，从而可更便利的在等离子体的透射中发挥更大的作用。
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 (9)

1.一种用于高温等离子体诊断技术的耐高温聚焦透镜天线，其特征在于，所述耐高温聚焦透镜天线包括：
耐高温聚焦透镜，用于对电磁波的折射及聚焦；
喇叭馈源，用于将电磁波对透镜天线进行照射馈电；
天线支架，用于耐高温聚焦透镜及喇叭馈源的支撑和固定；
配重块，用于平衡耐高温聚焦透镜和喇叭馈源的重量。
2.如权利要求1所述耐高温聚焦透镜天线，其特征在于，所述耐高温聚焦透镜采用石英材料加工。
3.如权利要求1所述的耐高温聚焦透镜天线，其特征在于，所述耐高温聚焦透镜由第一透镜和第二透镜组成；
第一透镜，将喇叭馈源发射的球面波转化为平面波；第二透镜，将平面波再转化为球面波，聚焦在所需的焦点上。
4.如权利要求3所述的耐高温聚焦透镜天线，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜的曲线均为双曲线，其中第一透镜的曲线为：
其中n为透镜的折射率，x1的取值范围为(0，22.58mm)；
其中第二透镜的曲线为：
其中n为透镜的折射率，x2的取值范围为(0，14.2mm)。
5.如权利要求1所述的耐高温聚焦透镜天线，其特征在于，所述喇叭馈源由喇叭部分和波导同轴转换组成；材料选用铜材。
6.如权利要求1所述的耐高温聚焦透镜天线，其特征在于，所述天线支架由透镜支架和馈源支架组成，材料为耐高温不锈钢。
7.如权利要求1所述的耐高温聚焦透镜天线，其特征在于，所述配重块为耐高温不锈钢材料。
8.如权利要求1所述的耐高温聚焦透镜天线，其特征在于，所述用于高温等离子体诊断技术的耐高温聚焦透镜天线在26.5-40GHz频率上工作，聚焦透镜的有效口径为200mm，天线聚焦在前方350mm处；结构几何尺寸参数为：F1为200mm，F2为350mm，H1为22.58mm，H2为14.2mm，D为θ1为24.2°，θ2为15.3°。
9.一种应用权利要求1～8任意一项所述的耐高温聚焦透镜天线的等离子体微波透射诊断测量系统。
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