CN113671266A - 一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室 - Google Patents

一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室，包括真空罐体、微波暗室骨架、支撑机构和复合电磁波吸收体，微波暗室骨架设在真空罐体内，在真空罐体的一端设有真空封头法兰，微波暗室骨架包括依次连接的多个连接段，多个连接段之间连接形成筒体结构；微波暗室骨架的一端为多级嵌套法兰，另一端设有吸波屏蔽门，通过安装若干块复合电磁波吸收体完全覆盖微波暗室骨架内壁，每一块复合电磁波吸收体由铁氧体瓦、匹配层和角锥吸波材料通过阻抗匹配复合而成，所述的铁氧体瓦、匹配层和角锥吸波材料从下到上依次布置。本发明能够提供宽频段的真空微波暗室，可用于临近空间高速目标表面等离子体环境及电磁通信研究。

Description

一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段 真空微波暗室
技术领域
本发明属于电磁测量技术领域，尤其是涉及一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室。
背景技术
由于飞行器在真实飞行过程中会随飞行高度及飞行速度的不同，表面等离子体鞘套的几何形貌也不尽相同，这要求所研究覆盖的电磁波段需要具有极宽的波段，通常在MHz-GHz内变化，然而目前公开报道的用于临近空间环境地面模拟电磁实验系统，其所研究的电磁波段通常为1-几十GHz，而对于低频条件下的(如MHz)信号通常不做考虑，也就是说现在没有能实现极宽的波段的真空微波暗室，因此有必要设计一种宽频段的真空暗室来更真实地模拟临近空间高速目标周围形成的等离子体环境，以及在该环境开展信号传输、雷达探测等电磁实验。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室，能够提供宽频段(100MHz-40 GHz)的真空微波暗室，可用于临近空间高速目标表面等离子体环境及电磁通信研究。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室，包括真空罐体、微波暗室骨架、支撑机构和复合电磁波吸收体；
所述的微波暗室骨架设置在真空罐体内，且通过真空罐体内的支撑机构进行支撑，所述的真空罐体为圆筒形结构，且在真空罐体的一端设有真空封头法兰；
所述微波暗室骨架包括依次连接的多个连接段，每一连接段均包括两个加强环，且两个加强环之间由若干角钢结构连接，两个加强环与若干角钢结构连接形成一个筒体形状，多个连接段之间连接形成筒体结构；微波暗室骨架的一端为多级嵌套法兰，另一端设有吸波屏蔽门，吸波屏蔽门的位置与真空封头法兰的位置相对应，在微波暗室骨架上开设有若干微波暗室窗口，在真空罐体的相应位置也开设有若干真空罐体窗口，通过安装若干块复合电磁波吸收体完全覆盖微波暗室骨架的内壁，每一块所述复合电磁波吸收体由铁氧体瓦、匹配层和角锥吸波材料通过阻抗匹配复合而成，所述的铁氧体瓦、匹配层和角锥吸波材料从下到上依次布置；
所述的支撑机构为设置在真空罐体底部的平行布置的两个导轨，在微波暗室骨架的下方设有两排导轨轮，且两排导轨轮与真空罐体底部的两个导轨配合。
进一步的，所述加强环为不锈钢加强环，加强环的内截面为正多边形。
进一步的，所述微波暗室骨架的总长度为5.4m，微波暗室骨架的断面为边宽为1.8m的正八边形。
进一步的，所述多级嵌套法兰包括从外到内依次嵌套的外环、内法兰和法兰，外环的外径为5.4m，内径为3m，内法兰的外径为3m，内径为1.5m，法兰的外径为1.5m，内径为0.5m，在外环、内法兰和法兰上分别对应安装适应形状及尺寸的独立的复合电磁波吸收体。
进一步的，所述角锥材料为以无纺纤维为基体的尖锥吸波材料。
进一步的，所述复合电磁波吸收体通过铝板基板、龙骨和若干螺栓安装在微波暗室骨架上。
进一步的，在微波暗室骨架内沿吸波屏蔽门向微波暗室骨架内方向设有一1.8m长供维修人员进入微波暗室骨架内的吸波走道。
进一步的，所述移动机构包括移动滑轨和骨架车，所述微波暗室骨架安装在移动滑轨上，所述移动滑轨安装在骨架车上，通过骨架车上的动力机构将微波暗室骨架移动至真空罐体内的导轨上。
进一步的，在微波暗室窗口处设有独立的复合电磁波吸收体，且复合电磁波吸收体通过外插式窗口盖板安装在微波暗室窗口处。
进一步的，所述外插式窗口盖板包括把手和窗口固定件，所述窗口固定件包括角铁框架和固定螺栓，所述角铁框架一侧面与铝基板连接，另一侧面通过固定螺栓与微波暗室骨架的角钢结构连接，在角铁框架的上下位置分别设置一个把手。
相对于现有技术，本发明所述的一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室具有以下优势：
1、本申请的暗室是国标之外的新一类功能暗室，因此从方案设计和工程施工角度，都无可直接借鉴的先例工程经验可取。其中对高频电磁波吸收的ZXB-500EMC角锥材料采用无纺布侵染吸波剂组成，具有难燃且放气率低等优点；
2、本申请的暗室具有宽泛的吸波频率，吸波材料采用铁氧体瓦、匹配层及角锥吸波材料复合而成，从而可实现电磁波在100MHz-40 GHz范围内有效吸收屏蔽；
3、本申请的暗室可在高真空环境下工作，其中角锥吸波材料的放气率可达10- 9Pa·L/(s·cm2)，满足用于临近空间工作气压(100-1000Pa)环境下电磁屏蔽吸收功能；
4、现有的微波暗室的吸波材料随着长时间使用，会出现老化使得性能下降，此时需要大面积更换吸波材料，而本申请将骨架抽出更换材料时可以使得操作人员不受真空舱体的限制，最大程度上保护了真空舱体；
5、本申请具有更多功能性，即在微波暗室骨架推入后，真空罐体与微波暗室骨架共同组成真空微波暗室，当微波暗室骨架推出后，真空罐体还可以为其它实验提供真空环境，而不受暗室性能影响。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室的剖面图；
图2为本发明实施例所述的一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室的断面示意图；
图3为用于安装吸波材料的微波暗室骨架的等轴侧视图；
图4为多级嵌套法兰侧安装复合电磁波吸收体示意图；
图5为真空复合吸波体组成示意图；
图6为外插式窗口盖板的结构示意图；
图7为外插式窗口盖板安装复合电磁波吸收体的结构示意图；
图8为微波暗室骨架未安装到真空罐体内时的示意图。
附图标记说明：
1-真空罐体；2-微波暗室骨架；3-铁氧体瓦；4-匹配层；5-角锥吸波材料；6-多级嵌套法兰；7-吸波走道；8-滑轨；9-铝板基板；10-移动滑轨；11-骨架车；12-微波暗室窗口；13-吸波屏蔽门；14-真空封头法兰；15-真空罐体窗口；16-加强环；17-外插式窗口盖板；18-把手；19-角铁框架；20-固定螺栓。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图8所示，一种一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室，包括真空罐体1、微波暗室骨架2、支撑机构和复合电磁波吸收体；
所述的微波暗室骨架2设置在真空罐体1内，且通过真空罐体1内的支撑机构进行支撑，所述的真空罐体1为圆筒形结构，且在真空罐体1的一端设有真空封头法兰14；
所述微波暗室骨架2包括依次连接的三个连接段，分别为一个长连接段和两个短连接段，其中长连接段复合电磁波吸收体安装后在真空罐体1内是不可移动的一段，位于等离子体发射口一端，与真空罐体1的平法兰端连接，每一连接段均包括两个加强环16，且两个加强环16之间由若干角钢结构连接，两个加强环16与若干角钢结构连接形成一个筒体形状，多个连接段之间连接形成筒体结构；微波暗室骨架2的长连接段的一端为多级嵌套法兰6，其中一个短连接段的另一端设有吸波屏蔽门13，吸波屏蔽门13的位置与真空封头法兰14的位置相对应，在微波暗室骨架2上开设有若干微波暗室窗口12，在真空罐体1的相应位置也开设有若干真空罐体窗口15，通过安装若干块复合电磁波吸收体完全覆盖微波暗室骨架2的内壁，每一块所述复合电磁波吸收体由铁氧体瓦3、匹配层4和角锥吸波材料5通过阻抗匹配复合而成，所述的铁氧体瓦3、匹配层4和角锥吸波材料5从下到上依次布置；角锥材料5为以无纺纤维为基体的尖锥吸波材料；匹配层是一种用于在低频波段与高频波段过渡的特殊介质层，用于本申请的匹配层4为中空结构，材质选用304不锈钢为支撑结构，介质为空气匹配层；
所述的支撑机构为设置在真空罐体1底部的平行布置的两个导轨8，在微波暗室骨架2的下方设有两排导轨轮，用于暗室整体推入真空罐体1安装使用，且两排导轨轮与真空罐体1底部的两个导轨8配合。
本申请的复合电磁波吸收体通过铝板基板9、龙骨和若干螺栓安装在微波暗室骨架2上，结合铝板基板，总高度约为0.512m，质量为70kg/m2。无纺纤维尖锥为基体的吸波材料用于500MHz以上电波吸收，铁氧体吸波片用于500MHz以下电波吸收。材料的反射性能满足前述的设计要求，为：
R≤-10dB@0.1GHz (0.1GHz频率以上,反射波应低于直射波10dB以上)；
R≤-20dB@1GHz (1GHz频率以上,反射波应低于直射波20dB以上)；
R≤-33dB@18GHz (18GHz频率以上,反射波应低于直射波33dB以上)；
R≤-37dB@40GHz (40GHz频率以上,反射波应低于直射波37dB以上)。
加强环16为不锈钢加强环，对于工作频率低至0.1GHz(100MHz)范围的暗室，吸波体材料必须采用含有微波铁氧体片的复合型吸收材料。铁氧体片是平板块状，每片尺寸100×100×6mm，铁氧体片与片的连接必须保证之间微缝隙，才能保证微波铁氧体吸收材料的性能。因此由36片连成一个整体的吸波单元体，在尺寸为600×600mm范围内是大块平板状。由大块平板状吸波单元体围合的暗室，其断面不能是圆弧，只能是趋向于近乎圆断面的多边形。暗室断面为正多边形，其吸波体材料结构单一，方便加工和施工安装，质量控制容易得到保证。这样确定的边数，既有利于暗室断面对称于等离子体轴线,并使暗室断面中心与等离子体轴线重合，能有比较好的测试电磁波正交特性；也有利于诊断子系统设备通过暗室侧壁上的观察窗对等离子体进行观察测量；但是，正多边形暗室断面的边数不可以过多，以免造成结构复杂，增加安装施工难处，为此选择正八边形断面。
由于吸波体材料单元模块边宽尺寸是0.6×0.6m，因此正多边形暗室断面边宽宜在0.6m、1.2m、1.8m、2.4m…中选择，按电磁场远场结构要求，求出收发天线间最小距离R不得小于下式：
R≥2D2/λ(其中：D是天线口面尺寸，λ是工作波长)
将不同天线口面尺寸和对应工作频率的波长带入上式,算出不同的R，将其中最大的R作为收发天线间最小距离。将此距离作为基本条件，断面边的宽度及收发天线间最小距离多次反复比选计算，最终确定本暗室断面方案是边宽为1.8m的正八边形方案；根据暗室承担的功能，最终确定微波暗室骨架2的总长度为5.4m，微波暗室骨架2的断面为边宽为1.8m的正八边形。
多级嵌套法兰6包括从外到内依次嵌套的外环、内法兰和法兰，外环的外径为5.4m，内径为3m，内法兰的外径为3m，内径为1.5m，法兰的外径为1.5m，内径为0.5m，法兰可安装等离子体源对接用的转换法兰，在外环、内法兰和法兰上分别对应安装适应形状及尺寸的独立的复合电磁波吸收体。
本申请的微波暗室骨架2包括依次连接的长连接段、短连接段和短连接段，且通过彼此的加强环连接，可根据需要选择几个段的使用，从而来改变微波暗室骨架的长度，并且可拆卸式的连接，便于对任一段的维修。
加强环16的内截面为正八边形。边长1804mm，外圈圆形最大外径4804mm，两两加强环之间由不锈钢焊接成角钢结构连接成为一个筒体形状，保证骨架整体的刚性。角钢内侧安装有铝型材，供铺设吸波材料使用。
在微波暗室骨架2内沿吸波屏蔽门13向微波暗室骨架内方向设有一1.8m长供维修人员进入微波暗室骨架内的吸波走道7。
微波暗室骨架2未安装在真空罐体1时，所述微波暗室骨架2安装在移动滑轨10上，所述移动滑轨10安装在骨架车11上，通过骨架车上的动力机构将微波暗室骨架移动至真空罐体1内的导轨上。
在测量区域位置的18个吸波体侧壁上各开设一个400×600mm微波暗室窗口，这18个微波暗室窗口与真空罐壁上的真空罐体窗口15连为一体，诊断系统探测设备透过观察窗可以在真空罐外部对罐内等离子体进行测量诊断，为等离子体物理研究提供测量数据。在微波暗室窗口12处设有独立的复合电磁波吸收体，且复合电磁波吸收体通过外插式窗口盖板17安装在微波暗室窗口12处。
所述外插式窗口盖板17包括把手18和窗口固定件，所述窗口固定件包括角铁框架19和固定螺栓20，所述角铁框架19一侧面与铝基板连接，另一侧面通过固定螺栓20与微波暗室骨架2的角钢结构连接，在角铁框架19的上下位置分别设置一个把手18，如此设置，可以方便拆卸微波暗室窗口12处的吸波材料，便于维修与更换。
真空罐体1、微波暗室骨架2上的吸波体所开的观察窗必须为一个整体，在满足观察要求的条件下必须确保真空技术要求。
根据暗室功能确立了测量系统收发天线布局在暗室断面的中垂线上，因此暗室断面应是左右对称结构，有利于暗室内电磁波的优良极化特性。
使用前，先将微波暗室整体推入真空室安装使用，封闭相应的门及关闭相应的窗，使用时，微波传输测量系统工作，配合微波传输测量系统就可测试电磁波在等离子体中的传输特性以及在等离子体表面的反射特性。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室，其特征在于：包括真空罐体(1)、微波暗室骨架(2)、支撑机构和复合电磁波吸收体；
所述的微波暗室骨架(2)设置在真空罐体(1)内，且通过真空罐体(1)内的支撑机构进行支撑，所述的真空罐体(1)为圆筒形结构，且在真空罐体(1)的一端设有真空门(14)；
所述微波暗室骨架(2)包括依次连接的多个连接段，每一连接段均包括两个加强环(16)，且两个加强环(16)之间由若干角钢结构连接，两个加强环(16)与若干角钢结构连接形成一个筒体形状，多个连接段之间连接形成筒体结构；微波暗室骨架(2)的一端为多级嵌套法兰(6)，另一端设有吸波屏蔽门(13)，吸波屏蔽门(13)的位置与真空封头法兰(14)的位置相对应，在微波暗室骨架(2)上开设有若干微波暗室窗口(12)，在真空罐体(1)的相应位置也开设有若干真空罐体窗口(15)，通过安装若干块复合电磁波吸收体完全覆盖微波暗室骨架(2)的内壁，每一块所述复合电磁波吸收体由铁氧体瓦(3)、匹配层(4)和角锥吸波材料(5)通过阻抗匹配复合而成，所述的铁氧体瓦(3)、匹配层(4)和角锥吸波材料(5)从下到上依次布置；
所述的支撑机构为设置在真空罐体(1)底部的平行布置的两个导轨(8)，在微波暗室骨架(2)的下方设有两排导轨轮，且两排导轨轮与真空罐体(1)底部的两个导轨(8)配合。
2.根据权利要求1所述的一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室，其特征在于：所述加强环(16)为不锈钢加强环，加强环(16)的内截面为正八边形。
3.根据权利要求2所述的用于临近空间高速地面模拟的宽频段真空微波暗室，其特征在于：所述微波暗室骨架(2)的总长度为5.4m，微波暗室骨架(2)的断面为边宽为1.8m的正八边形。
4.根据权利要求3所述的一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室，其特征在于：所述多级嵌套法兰(6)包括从外到内依次嵌套的外环、内法兰和法兰，外环的外径为5.4m，内径为3m，内法兰的外径为3m，内径为1.5m，法兰的外径为1.5m，内径为0.5m，在外环、内法兰和法兰上分别对应安装适应形状及尺寸的独立的复合电磁波吸收体。
5.根据权利要求1所述的一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室，其特征在于：所述角锥材料(5)为以无纺纤维为基体的尖锥吸波材料。
6.根据权利要求1所述的一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室，其特征在于：所述复合电磁波吸收体通过铝板基板(9)、龙骨和若干螺栓安装在微波暗室骨架(2)上。
7.根据权利要求1所述的一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室，其特征在于：在微波暗室骨架(2)内沿吸波屏蔽门(13)向微波暗室骨架内方向设有一1.8m长供维修人员进入微波暗室骨架内的吸波走道(7)。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室，其特征在于：微波暗室骨架(2)未安装在真空罐体(1)时，所述微波暗室骨架(2)安装在移动滑轨(10)上，所述移动滑轨(10)安装在骨架车(11)上，通过骨架车上的动力机构将微波暗室骨架移动至真空罐体(1)内的导轨上。
9.根据权利要求6所述的一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室，其特征在于：在微波暗室窗口(12)处设有独立的复合电磁波吸收体，且复合电磁波吸收体通过外插式窗口盖板(17)安装在微波暗室窗口(12)处。
10.根据权利要求9所述的一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室，其特征在于：所述外插式窗口盖板(17)包括把手和窗口固定件，所述窗口固定件包括角铁框架和固定螺栓，所述角铁框架一侧面与铝基板连接，另一侧面通过固定螺栓与微波暗室骨架(2)的角钢结构连接，在角铁框架的上下位置分别设置一个把手。
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