CN110568386B

CN110568386B - 高温高速等离子体内部磁场分布测量的耐高温磁场探针

Info

Publication number: CN110568386B
Application number: CN201910659211.9A
Authority: CN
Inventors: 李小平; 赵成伟; 刘彦明; 孙超; 刘东林; 韩明智; 窦超
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2039-07-22
Also published as: CN110568386A

Abstract

本发明属于等离子体检测技术领域，公开了一种应用于高温高速等离子体内部磁场分布测量的耐高温磁场探针。磁场探针，用于接收空间磁场信号及高温高速等离子体内部磁场信号；支撑固定座，用于固定磁场探针的陶瓷介质及同轴接头的安装固定，保护磁场探针免受高速流动的等离子体的冲击破坏；同轴接头，用于向磁场探针传输信号。本发明解决了常规探针不能适应高温的问题，探针为共面波导形式，并且探针被耐高温陶瓷材料包覆，使得探针具有耐高温性能。探针采用双环结构，解决了单环不平衡结构造成的测量结果不对称的问题，并且展宽了频带范围。同时由于磁场探针是蚀刻在介电常数为4.2的介质基板上的，缩小为传统探针尺寸的

倍，提高了探针灵敏度。

Description

高温高速等离子体内部磁场分布测量的耐高温磁场探针

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磁场测量技术。

背景技术

目前，最接近的现有技术主要有以下几种：

1)简单的同轴结构，即通过将刚性同轴电缆的外导体剥离，内导体连接一个金属环，从而可接收磁场信号；

2)Osofsky构建的探针由两个环组成，其形状为磁四极，分别用于26.5-40GHz(1989年)以及0.1-0.3GHz(1992年)，但是，这种探针的应用范围非常局限。

3)1995年，Yingjie Gao和Ingo Wolff设计了一种新型的方形磁场探头。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(ε_r＝2.2,h＝0.5mm)上蚀刻探针和短传输线，然后将该基片在探头和传输线之间弯曲90°，以测量磁场Z分量。传输线连接到半刚性同轴电缆，然后通过SMA转接头连接到网络分析仪。这种探头采用薄膜技术加工而成，具有制作成本低，工作性能稳定等优点，非常适用于工业应用，但不适合高温高速等离子体的诊断。

4)1998年，Yingjie Gao和Ingo Wolff又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,and B.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。

综合以上对磁场探针的研究成果，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：磁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)磁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磁场测量，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磁场分布测量的耐高温磁场探针。

本发明是这样实现的，一种耐高温磁场探针，所述耐高温磁场探针设置有：

磁场探针，用于接收空间磁场信号；

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

同轴接头，用于向磁场探针传输信号。

进一步，所述磁场探针包括探针、探针地、连接线、过渡段、过渡段地、耐高温陶瓷介质；

探针和过渡段是相互连通，探针地和过渡段地相互连通的；

通过增加连接线形成两个磁场环；

磁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；

耐高温陶瓷介质分为两层板，探针、探针地、连接线、过渡段和过渡段地蚀刻在一层介质板的一侧；两层介质板将含有蚀刻探针等覆铜夹在中间。

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磁场探针的高温高速等离子体内部测量系统。

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内部测量系统的航天器。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供了一种应用于高温高速等离子体内部磁场分布测量的耐高温磁场探针，解决了常规探针不能适应高温的问题，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，使得探针具有耐高温性能。探针采用双环结构解决了不平衡结构造成的测量结果不对称的问题，同时展宽了近1倍的频带范围。由于磁场探针是蚀刻在介电常数ε_r为4.2的介质基板上的，根据介质线长的缩小理论，尺寸缩小为传统探针尺寸的

从而提高了探针接收灵敏度。本发明的磁场探针用于接收磁场信息，磁场探针为一个磁场环。磁场探针为环状结构，通过测量流入环状结构的磁场通量接收磁场信息。

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，更避免了磁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。传统磁场探针是仅有一个环结构，本磁场探针通过增加了一段连接线，形成了两个环，提高了磁场探针的灵敏度。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，此处在同轴接头和磁场探针中间增加了一段过渡段，使得探针处于等离子的核心位置，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磁场探针的结构示意图；

图中：(a)耐高温磁场探针整体结构沿yoz面示意图；(b)耐高温磁场探针整体结构沿xoz面示意图；(c)耐高温磁场探针前端部分沿yoz面示意图；(d)耐高温磁场探针前端部分沿yoz面放大示意图；(e)耐高温磁场探针前端部分沿xoz面示意图；(f)耐高温磁场探针同轴接头部分沿yoz面示意图；(g)耐高温磁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磁场探针的整体结构示意图；

图中：(a)耐高温磁场探针整体尺寸沿yoz面标注图；(b)耐高温磁场探针前端部分尺寸沿yoz面标注图；(c)耐高温磁场探针前端部分尺寸沿xoz面标注图；(d)耐高温磁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耐高温磁场探针与传统探针对比示意图；

图中：(a)耐高温改进型探针与传统探针(未加连接线1-3)反射系数仿真结果图；(b)磁场探针隔离度仿真结果；(c)磁场环形结构的法向沿Y方向的磁场归一化分布结果；(d)磁场环形结构的法向沿Z方向的磁场归一化分布结果。

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磁场探针方向图三维方向图。

图1和图2中：1、磁场探针；1-1、探针；1-2、探针地；1-3、连接线；1-4、过渡段；1-5、过渡段地；1-6、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磁场分布测量的耐高温磁场探针，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磁场探针由磁场探针1、支撑固定座2和同轴接头3组成。

磁场探针1采用共面波导形式，并且磁场探针1被两层陶瓷介质1-6夹在中间，避免了磁场探针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，在磁场探针1和同轴接头3之间增加了过渡段1-4。并且将工作在频率2-12GHz的磁场探针1与相应工作频率的过渡段1-4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，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。

在本发明的优选实施例中，磁场探针1，用于接收磁场信号，并通过过渡段1-4，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，用于固定磁场探针1的陶瓷介质，保护探针免受高速流动的等离子体的冲击破坏，保证磁场探针1能够稳定工作。

在本发明的优选实施例中，过渡段1-4和过渡段地1-5分别与同轴内导体3-1和外导体3-2焊接。

在本发明的优选实施例中，同轴接头3，用于接收磁场探针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，本发明的磁场探针已经优化好，能够在2-12GHz频率上工作，探针部分尺寸为3mm×2mm，小于空间精度5mm的要求；具体磁场探针结构几何尺寸参数如表1所示。

表1磁场探针结构几何尺寸(单位/mm)

符号	尺寸	符号	尺寸	符号	尺寸
						LL1	200	L1	2	W1	0.2
LL2	20	L2	1	W2	0.4
						LL3	5	L3	16	W3	2
WW1	φ20	H1	1	W4	4
						WW2	φ40	H2	0.035	W5	1
				W6	1.4
										W7	8
				W8	14

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)，对本发明的磁场探针进行建模、仿真和优化，仿真结果如图3-图5所示，对磁场探针的S参数在1-20GHz的频率范围内进行仿真计算。相同环尺寸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，体现了本探针比传统探针具有更好地回波损耗。

探针的隔离度又称为探针的定向选择性，是磁场探针对磁场极化选择的重要的性能参数。使用CST软件进行建模仿真，采用平面波对探针进行“照射”，平面波入射方向与探针所在平面垂直，调整平面波磁场方向，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，隔离度约为50dB左右，验证了探针良好的磁场区分能力。接着对探针的灵敏度进行分析计算，采用相同条件的平面波对探针进行“照射”，使平面波磁场方向与探针方环所在平面垂直，读取末端输出电压值，再将末端输出电压值转换为功率值，即为探针的灵敏度。经过仿真得到，在6GHz时末端输出电压值为11.5dBmV，灵敏度约为-35.5dBm；说明了探针良好的定向选择性。

对探针进行扫描微带线扫描仿真，将探针置于微带线表面上方1mm处，其中微带线所在平面的法向为Z轴，其所在平面为XOY面，微带线沿着Y轴方向。将探针摆放位置与Z轴平行，将探针绕Z轴旋转，分别使探针方环所在平面与X轴和Y轴垂直，以获取X方向和Y方向的磁场分布。探针由左至右沿X轴依次进行扫描测量，仿真结果如图3(c)和图3(d)。其中图3(c)表示X方向磁场分布，图3(d)表示Y方向磁场分布。Hx和Hy分别代表探针环结构的法向沿X方向和Y方向的真实的磁场分布。从探针测出的磁场分布和真实分布相比，两者比较吻合。

为了避免同轴接头被高温等离子体的损坏，在磁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，回波损耗基本全＜-15dB，并且传输损耗很小。探针的目的是为了接收空间的磁场信号，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，优化设计的磁场探针比传统磁场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50dB的隔离度，灵敏度约-35.5dBm，比传统磁场探针提高了近10dB的优良性能。同时为了验证探针的实际性能，将探针在微带线上表面进行仿真测试，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，从而为探针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

1.一种高温高速等离子体内部磁场分布测量的耐高温磁场探针，其特征在于，所述耐高温磁场探针设置有：

磁场探针，用于接收空间磁场信号；所述磁场探针包括探针、探针地、连接线、过渡段、过渡段地、耐高温陶瓷介质；

探针和过渡段是相互连通，探针地和过渡段地相互连通的；

磁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；探针远离过渡段的一端与一侧的探针地相连接形成第一个磁场环，连接线将探针与另一侧的探针地相连接形成第二个磁场环；

耐高温陶瓷介质包括两层介质板，探针、探针地、连接线、过渡段和过渡段地蚀刻在其中一层介质板的一侧；两层介质板将含有蚀刻探针的覆铜夹在中间；

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

同轴接头，用于向磁场探针传输信号；

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，陶瓷介质承受时间为1s的3000K的高温；

所述支撑固定座由固定腔体和安装法兰组成；

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，并且同轴内导体与过渡段焊接，同轴外导体与过渡段地焊接。

2.一种应用权利要求1所述耐高温磁场探针的高温高速等离子体内部磁场测量系统。

3.一种安装有权利要求2所述高温高速等离子体内部磁场测量系统的航天器。