CN115377673A - 一种用于等离子体密度诊断的天线及其反射数据标定方法 - Google Patents

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CN115377673A CN202211035764.5A CN202211035764A CN115377673A CN 115377673 A CN115377673 A CN 115377673A CN 202211035764 A CN202211035764 A CN 202211035764A CN 115377673 A CN115377673 A CN 115377673A
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Abstract

本发明公开了一种用于等离子体密度诊断的天线，双层Vivaldi天线设于双层基板表面，馈电条夹在双层基板之间，Vivaldi天线基板和馈电条垂直于反射器接地板设置。本发明天线可满足小型化要求，适用于微波反射法的在线等离子体诊断。本发明还公开了一种反射数据标定方法，利用无等离子体时的反射数据对等离子体反射数据进行标定，有效排除天线盖板及外部环境等因素的干扰，得到能够准确诊断等离子体密度的真实反射系数。

Description

一种用于等离子体密度诊断的天线及其反射数据标定方法
技术领域
本发明属于等离子体诊断技术领域，涉及一种用于微波反射法测量等离子体密度的宽带耐高温天线及其反射数据标定方法。
背景技术
航天飞船以极高的速度重新进入大气层时，飞行器对空气的挤压以及飞行器表面与空气产生的高速摩擦，产生高温，造成飞行器机体表面材料以及空气中的气体分子发生不同程度的离解反应，形成等离子体，并包覆在飞行器四周形成等离子体鞘套。等离子体鞘套会对在其中传播的电磁波表现出吸收、散射、反射等特性，使得通信质量恶化，严重时将产生黑障现象，飞行器与外界的通信联络被完全中断。
为了削弱甚至解决黑障现象，便需要能够对等离子体鞘套参数进行在线诊断分析，目前针对等离子体鞘套参数的诊断方法主要有朗缪尔探针法、微波反射法、光谱法和激光诊断法等。其中，(1)朗缪尔探针又称静电探针，是一种介入式诊断方法，将由导电金属制成的针头深入等离子体内部，测量等离子体的伏安特性曲线，从而计算获得等离子体鞘套内部参数，但朗缪尔探针法受到气动加热以及杂质覆盖的双重影响只能一次性使用；(2)微波反射法利用电磁波在等离子体中的传播特性，由于微波频段与等离子体的特征频率在数量级上可以相比拟，可计算电磁波在等离子体中幅度和相位的变化来反推等离子体鞘套的电子密度，但传统微波反射法测量天线尺寸较大，还无法做到对飞行器电子密度的在线诊断，目前只在地面测试中使用；(3)光谱法对等离子体辐射光谱进行分析，了解等离子体内部发生的主要化学反应，可以获得等离子体鞘套中的一些参数，但极易被高温流场环境干扰，不适合飞行器在线诊断；(4)激光具有很高的时空相干性，当其穿透等离子体时会引起光干涉条纹的变化，通过测量光的干涉条纹反推等离子体折射率最终计算出等离子体鞘套参数，但激光诊断法受到设备仪器复杂、难以小型化的局限，目前只能地面系统中被采用。
在线诊断等离子体鞘套时，机上载荷对设备的装填空间、重量有着严苛的限制，同时飞行器周围环境温度极高，因此，要求机载诊断仪器体积小、重量轻、结构紧凑且耐高温。上述针对等离子体鞘套参数的诊断方法中，微波反射法简单可靠，等离子体干扰小，成本低，是一种被广泛的应用的非接触式诊断方法，为了使微波反射法适用于在线诊断，急需一种宽带小型耐高温天线，能够配合微波反射处理装置，完成电子密度和碰撞频率的在线诊断。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种用于等离子体密度诊断的天线，解决了现有天线体积大、不耐高温及难以获取超宽带反射信号的技术问题，本发明天线可满足小型化要求，适用于微波反射法的在线等离子体诊断。
本发明的目的还在于提供一种反射数据标定方法，解决了天线盖板及外部环境等因素对反射数据存在干扰的技术问题。本发明能够有效排除天线盖板及外部环境等因素的干扰，得到准确诊断等离子体密度的真实反射系数。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于等离子体密度诊断的天线，包括Vivaldi天线、基板、馈电条、反射器接地板和同轴连接器；
Vivaldi天线和基板均为两层；
两层Vivaldi天线分别贴附于两层基板的第一表面，馈电条夹在两层基板的第二表面之间；Vivaldi天线与反射器接地板电性连接；馈电条与两层Vivaldi天线电性连接；
Vivaldi天线，基板和馈电条均垂直于反射器接地板；
同轴连接器一端电性连接馈电条，另一端电性连接信号接收和反射装置。
进一步的，上述用于等离子体密度诊断的天线中，馈电条的形状为宽度1.5mm的矩形，馈电条的阻抗为50Ω。
进一步的，上述用于等离子体密度诊断的天线中，Vivaldi天线包括依次连接的扇形段、线形段和圆形谐振腔；
其中扇形段的轮廓线包括两条指数型轮廓线，所述指数型轮廓线的方程为：
x＝±a1·exp(a2z)+a3；
其中，(x，z)为xoz坐标系中指数型轮廓线的任一点坐标，xoz坐标系以两条指数型轮廓线与线形段的两个连接点的中点为原点，以两条指数型轮廓线与线形段的两个连接点的连线方向为x轴方向，以指向扇形段末端的对称轴方向为z轴方向；方程参数a1＝0.993～0.994，a2＝0.04～0.06，a3＝-0.512～-0.513。
进一步的，上述用于等离子体密度诊断的天线中，Vivaldi天线上设有槽线；
所述槽线为与Vivaldi天线对称轴垂直的线型槽线，槽线将Vivaldi天线分为两部分，槽线与Vivaldi天线扇形段末端的距离为8～9mm，槽线的宽度为1～2mm。
进一步的，上述用于等离子体密度诊断的天线中，反射器接地板为圆形结构；
在8Ghz以下的频率，随着频率的增加，反射器接地板对反射数据测量的增益从4.5增加到10dBi，在8GHz以上的频率，反射器接地板对反射数据测量的增益在8到11dBi之间波动。
进一步的，上述用于等离子体密度诊断的天线中，Vivaldi天线设有贴片电阻，所述贴片电阻设于槽线中，槽线将Vivaldi天线分为两部分，贴片电阻两端分别与Vivaldi天线的两部分电性连接；贴片电阻为100Ω；
Vivaldi天线扇形段末端设有梳状结构。
进一步的，上述用于等离子体密度诊断的天线中，还包括腔体和天线盖板；
腔体为中空圆筒状结构，外径与反射器接地板直径相等；
腔体一端与反射器接地板固定连接，另一端与天线盖板固定连接；Vivaldi天线，基板和馈电条位于腔体、反射器接地板和天线盖板组成的密封腔体中；
天线盖板为三向石英晶体制成；
基板为介电常数≤2.65的聚四氟乙烯材料。
一种用于等离子体密度诊断的天线的反射数据标定方法，包括：
当无反射介质时，获取天线的对空反射数据，记为无反射数据Rm；
当存在全反射介质时，获取天线的全反射数据Rs；
当存在等离子体时，获取天线的反射数据Ra；所述天线为上述用于等离子体密度诊断的天线；Rm、Rs和Ra均为反射系数S11；
根据Rm、Rs和Ra得到由等离子体引起的幅度偏移A和由等离子体引起的相位偏移
Figure BDA0003818866290000045
根据A和
Figure BDA0003818866290000044
得到由等离子体引起的实际反射系数R。
进一步的，上述用于等离子体密度诊断的天线的反射数据标定方法中，
Figure BDA0003818866290000041
Figure BDA0003818866290000042
其中，abs(Ra)、abs(Rs)和abs(Rm)分别表示Ra、Rs和Rm的幅度，phase(Ra)和phase(Rm)分别表示Ra和Rm的相位。
进一步的，上述用于等离子体密度诊断的天线的反射数据标定方法中，
Figure BDA0003818866290000043
其中，j为虚部。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明将宽带天线小型化，突破了原有微波反射法仅能在地面系统测试的应用领域限制，可在机载等严苛环境的限制下，仅使用一个天线窗口，完成宽带无线信号的收发，本发明天线可作为再入飞行器与高速飞行器外部等离子体鞘套的在线测量设备，探测不同飞行条件下的等离子体鞘套电子密度、碰撞频率及其时空分布，在成本不高，且占用载荷较小、高温环境的前提下，获取不同飞行条件下的等离子体鞘套特性。本发明也可用于地面等离子喷流环境参数实时测量。
(2)本发明天线结构中，采用双层维瓦尔第天线的形式，将馈线夹在中间，避免了对馈线的过度干扰；
(3)本发明为了改善低频的阻抗特性，增加了贴片电阻，通过增加电阻，vivaldi端的传输损耗增加，这与增加天线尺寸类似。此外电阻器可以消散一些回流电流，可以提高低频段的反射系数。
(4)本发明设计了Vivaldi天线扇形段的指数方程，使天线工作带宽可以覆盖2-9GHz，满足鞘套电子密度在大尺度变化下的超宽带反射信号诊断需求；
(5)本发明利用梳状结构等改善了天线在低频段的性能；
(6)本发明利用标定算法对反射数据进行处理，可有效消除外界干扰因素的影响，得到由等离子体引起的真实反射系数，有利于提高等离子密度诊断的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例中用于等离子体密度诊断的天线的尺寸及结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为侧视图，(c)为主视图，(d)为立体图；
图2为本发明实施例中天线主体结构示意图，其中(a)为正视图，(b)侧视图；
图3为本发明实施例中天线整体示意图；其中(a)为外形图，(b)为内部图；
图4为本发明实施例中梳状结构对Vivaldi天线表面电流的影响图，其中(a)本发明设置梳状结构时的表面电流图，(b)为未设梳状结构时的表面电流图；
图5为本发明实施例中贴片电阻阻值对天线反射系数的影响图；
图6为本发明实施例中对反射数据的标定方法流程图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在宽带等离子体反射诊断系统中，需要发射和接收电磁波，因此宽带天线是必不可少的组成部分。在成本不高，且占用载荷较小的前提下，宽带天线需要结构简单，体积尽可能小，性能稳定，便于与电子电路集成。同时由于等离子体很高的温度(大约3000K)宽带天线还需要额外的防隔热设计。本发明依据等离子体微波反射诊断原理，通过宽带小型耐高温天线和后端数据处理装置获得飞行器全程中超宽段反射信号，基于电磁波与等离子体的相互作用机理，根据反射信号相位实时探测不同飞行条件下的等离子体鞘套电子密度、碰撞频率及其时空分布。
本发明提供一种用于等离子体密度诊断的天线，解决了现有天线双层Vivaldi天线设于双层基板表面，馈电条夹在双层基板之间，Vivaldi天线基板和馈电条垂直于反射器接地板设置。本发明天线可满足小型化要求，适用于微波反射法的在线等离子体诊断。本发明还提供一种反射数据标定方法，利用无等离子体时的反射数据对等离子体反射数据进行标定，有效排除天线盖板及外部环境等因素的干扰，得到能够准确诊断等离子体密度的真实反射系数。
通过宽带耐高温小型化天线的发明和研制，将微波反射法由地面等离子体测试的应用拓展到飞行器在线测试，可积累不同飞行条件下，大量的第一手实测数据，全面、客观、准确地认知等离子体鞘套特性，具有较大的科学价值。
实施例：
本实施例将结合图1～6进行详细说明。
本实施例一种用于等离子体诊断的宽带小型耐高温天线，带宽较宽(2-9GHz)，体积小方便安装，其几何结构如图1～3所示，包括天线本体9，腔体7和天线盖板8。
其中，天线本体9如图2所示，包括双层Vivaldi天线1、基板2、馈电条3、反射器接地板4和同轴连接器5；其中，同轴连接器5为SMA-K连接器，同轴连接器5安装在馈电条3外，双层基板2将馈电条3夹在中间，双层Vivaldi天线1贴附在双层基板2表面。天线通过同轴连接器5接收信号，由馈电条3传递至双层Vivaldi天线1。上述整体垂直反射器接地4安装。
天线本体9的长度、宽度和厚度分别为83mm、54.83mm以及2.04mm。天线本体9采用双层Vivaldi天线1贴合在一起的特殊设计，将馈电条3夹在两层Vivaldi天线1之间，形成带状结构，从而避免了对天线本体9馈电的过度干扰，使天线侧面图案更加对称。
基板2由聚四氟乙烯材料F4E-265制成，介电常数为ε_r＝2.65，厚度为1mm，损耗角正切为0.0017。为了使天线具有较宽的频段宽度和相同的波束宽度，在Vivaldi天线1的相应位置切割了槽线10，切割出的槽线还可以让双层基板焊接更加方便，槽线距离Vivaldi天线扇形段末端8.6mm，宽度为1.8mm。
馈电条3宽度固定为1.5mm，以达到50Ω阻抗匹配。
为方便天线本体9安装，反射器接地板4为直径为90mm的圆形基板。在8Ghz以下的频点，随着频率的增加，测量的增益从4.5增加到10dBi。在8GHz以上的频率，增益在8到11dBi之间波动。
天线本体9底部为SMA-K连接器。SMA-K连接器高度为15mm。
Vivaldi天线1包括依次连接的扇形段、线形段和圆形谐振腔；通过调整和优化天线扇形段的指数方程提高了天线带宽，使天线工作带宽可以覆盖2-9GHz，满足鞘套电子密度在大尺度变化下的超宽带反射信号诊断需求，且采用带状线结构，屏蔽了馈线的辐射，保证天线磁场面方向图的对称性。扇形段的指数方程为：
x＝±a1·exp(a2z)+a3
其中，z的取值范围从0到L＝61.22mm，L为天线扇形段长度。当z＝0时，x＝w1/2，w1为线形段宽度，w1＝0.84mm，而当z＝61.22mm时，x＝w0/2，w0＝52mm，所以根据这两组方程可确定经过优化后的指数方程中参数，分别为a1＝0.9932，a2＝0.05，a3＝-0.5123，w0为扇形段末端宽度。
如图4中所示箭头方向表示天线表面电流的传输方向，在天线扇形段末端增加山型梳状结构，改变了双层Vivaldi天线1中表面电流的传输路径，可以改善天线在低频段的性能。
同时，在Vivaldi天线1的扇形段末端采用添加贴片电阻6的方式，并且通过优化电阻阻值，改变了电流，使得天线低频的反射系数(S11)可以显著提高，如图5所示。在没有贴片电阻6的情况下，天线S11<-10dB的低频起点为3.45GHz，当存在贴片电阻6(100Ω)时，天线S11<-10dB的低频起点为2.0GHz。虽然电阻对低频的影响较大，但对高频的影响较小。贴片电阻布置在槽线10中电性连接vivaldi天线末端和中段。在基于有限元法的ANSYS高频结构模拟器(HFSS)中对天线进行建模和仿真，优化得到贴片电阻的最优位置。这可以解释为：通过增加贴片电阻6，使得Vivaldi天线1的传输损耗增加，这与通过增大天线尺寸改善天线性能相似。此外，贴片电阻6可以耗散一些回流电流，还可以进一步提高天线反射系数。因此，天线低频段的阻抗性能可以得到改善，而且对高频段的阻抗性能没有太大影响。在图5中给出了贴片电阻6选取不同电阻值(50Ω、100Ω、200Ω)下的反射系数S11。当贴片电阻6电阻值为≥100Ω，不同电阻值对反射系数影响不大。因此，此处贴片电阻的合理选择为100Ω。
天线完整装配结构如图3所示，腔体7垂直与反射器接地板4连接，天线盖板8安装在腔体7上。
腔体7为高65mm，外径90mm，厚度1mm的圆筒状结构，在天线发射端方向有一圈外延用来固定天线盖板8，外延直径117mm，腔体7有6个均匀分布的圆形通孔，两通孔间夹角为60°。通孔直径为5mm，相对应的两通孔间距离为104mm，通孔用于与盖板8固定连接。
盖板8由耐高温透波材料三向石英晶体制成，介电常数为ε_r＝3.05，三向石英晶体材料拥有良好的防隔热性能，使得天线达到了等离子体高温工况下防隔热要求，同时具有良好的透波性能对电磁波衰减非常小。盖板8直径90mm，厚度10mm，外壁高度19mm，有一圈外延，外延直径117mm。与腔体7外延相同，上面有6个均匀分布的圆形通孔，两通孔间夹角为60°。通孔直径为5mm，相对应的两通孔间距离为104mm。
综上，本发明天线结构中，采用双层维瓦尔第天线的形式，将馈线夹在中间，避免了对馈线的过度干扰。为了改善低频的阻抗特性，增加了贴片电阻。通过增加电阻，vivaldi端的传输损耗增加，这与增加天线尺寸类似。此外电阻器可以消散一些回流电流，可以提高低频段的反射系数。
在实际的测量中天线布置于飞行器的表面，为了防止天线被高温环境烧蚀，本发明在天线前端配置了隔热石英盖板。因此天线测量的反射数据受到天线、防隔热层以及空间间隙等多种因素引起的干扰，导致了测量结果的误差，致使反射数据并不能准确反映等离子体的反射特性。
为此本发明设计了标定算法，通过对天线测量的反射数据进行标定删除，最大程度上消除上述环境干扰因素产生的影响，分离得到等离子体引起的反射数据。算法的流程如图6所示。
测量得到没有等离子体时的无反射数据(记为Rm)以及全反射时的数据(记为Rs)，此时的反射数据可认为仅在干扰因素影响下产生的反射数据；测量天线对被测等离子体反射数据(记为Ra)，此时的反射数据除了等离子体的反射数据，同时会存在天线结构以及环境等因素的影响。具体的，无反射数据表示没有等离子体时，仅由干扰因素(天线本身传输损耗、隔热盖板损耗)影响下产生的反射数据，更加具体的，天线前无反射介质，对空测量得到。全反射时的数据为采用远超出天线测量范围的高电子密度等离子体作为全反射介质，形成全反射状态。
分别对反射数据进行幅度标定和相位标定，abs表示反射数据的幅度，phase表示反射数据的相位，上述反射数据为S11参数，即反射系数。
Figure BDA0003818866290000101
Figure BDA0003818866290000102
其中，A为由等离子体引起的反射系数的模值也即由等离子体引起的幅度偏移，
Figure BDA0003818866290000104
为由等离子体引起的相位偏移。
根据A和
Figure BDA0003818866290000105
即可得到除去外界干扰因素后，等离子体引起的实际反射系数R：
Figure BDA0003818866290000103
基于R进行等离子体密度的诊断。
本发明突破了原有微波反射法仅能在地面系统测试的应用领域限制，可在机载等严苛环境的限制下，仅使用一个天线窗口，完成宽带无线信号的收发，本发明天线可作为再入飞行器与高速飞行器外部等离子体鞘套的在线测量设备，探测不同飞行条件下的等离子体鞘套电子密度、碰撞频率及其时空分布，在成本不高，且占用载荷较小、高温环境的前提下，获取不同飞行条件下的等离子体鞘套特性。
本发明亦可用于地面等离子喷流环境参数实时测量。在碰流环境尺寸空间限制的条件下，改变现有宽频带扫频需要多个天线完成的实验现状，可在进行其他科学实验的同时，节约实验空间，监视等离子喷流参数变化。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于等离子体密度诊断的天线，其特征在于，包括Vivaldi天线(1)、基板(2)、馈电条(3)、反射器接地板(4)和同轴连接器(5)；
Vivaldi天线(1)和基板(2)均为两层；
两层Vivaldi天线(1)分别贴附于两层基板(2)的第一表面，馈电条(3)夹在两层基板(2)的第二表面之间；Vivaldi天线(1)与反射器接地板(4)电性连接；馈电条(3)与两层Vivaldi天线(1)电性连接；
基板(2)和馈电条(3)均垂直于反射器接地板(4)；
同轴连接器(5)一端电性连接馈电条(3)，另一端电性连接信号接收和反射装置。
2.根据权利要求1所述的一种用于等离子体密度诊断的天线，其特征在于，馈电条(3)的形状为宽度1.5mm的矩形，馈电条(3)的阻抗为50Ω。
3.根据权利要求1所述的一种用于等离子体密度诊断的天线，其特征在于，Vivaldi天线(1)包括依次连接的扇形段、线形段和圆形谐振腔；
其中扇形段的轮廓线包括两条指数型轮廓线，所述指数型轮廓线的方程为：
x＝±a1·exp(a2z)+a3；
其中，(x，z)为xoz坐标系中指数型轮廓线的任一点坐标，xoz坐标系以两条指数型轮廓线与线形段的两个连接点的中点为原点，以两条指数型轮廓线与线形段的两个连接点的连线方向为x轴方向，以指向扇形段末端的对称轴方向为z轴方向；方程参数a1＝0.993～0.994，a2＝0.04～0.06，a3＝-0.512～-0.513。
4.根据权利要求3所述的一种用于等离子体密度诊断的天线，其特征在于，Vivaldi天线(1)上设有槽线(10)；
所述槽线为与Vivaldi天线(1)对称轴垂直的线型槽线，槽线(10)将Vivaldi天线(1)分为两部分，槽线(10)与Vivaldi天线(1)扇形段末端的距离为8～9mm，槽线的宽度为1～2mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于等离子体密度诊断的天线，其特征在于，反射器接地板(4)为圆形结构；
在8Ghz以下的频率，随着频率的增加，反射器接地板(4)对反射数据测量的增益从4.5增加到10dBi，在8GHz以上的频率，反射器接地板(4)对反射数据测量的增益在8到11dBi之间波动。
6.根据权利要求4所述的一种用于等离子体密度诊断的天线，其特征在于，Vivaldi天线(1)设有贴片电阻(6)，所述贴片电阻(6)设于槽线(10)中，槽线(10)将Vivaldi天线(1)分为两部分，贴片电阻(6)两端分别与Vivaldi天线(1)的两部分电性连接；贴片电阻(6)为100Ω；
Vivaldi天线(1)扇形段末端设有梳状结构。
7.根据权利要求5所述的一种用于等离子体密度诊断的天线，其特征在于，还包括腔体(7)和天线盖板(8)；
腔体(7)为中空圆筒状结构，外径与反射器接地板(4)直径相等；
腔体(7)一端与反射器接地板(4)固定连接，另一端与天线盖板(8)固定连接；Vivaldi天线(1)，基板(2)和馈电条(3)位于腔体(7)、反射器接地板(4)和天线盖板(8)组成的密封腔体中；
天线盖板(8)为三向石英晶体制成；
基板(2)为介电常数≤2.65的聚四氟乙烯材料。
8.一种用于等离子体密度诊断的天线的反射数据标定方法，其特征在于，包括：
当无反射介质时，获取天线的对空反射数据，记为无反射数据Rm；
当存在全反射介质时，获取天线的全反射数据Rs；
当存在等离子体时，获取天线的反射数据Ra；所述天线为权利要求1-7任一项所述的一种用于等离子体密度诊断的天线；Rm、Rs和Ra均为反射系数S11；
根据Rm、Rs和Ra得到由等离子体引起的幅度偏移A和由等离子体引起的相位偏移
Figure FDA0003818866280000021
根据A和
Figure FDA0003818866280000022
得到由等离子体引起的实际反射系数R。
9.根据权利要求8所述的一种用于等离子体密度诊断的天线的反射数据标定方法，其特征在于，
Figure FDA0003818866280000031
Figure FDA0003818866280000032
其中，abs(Ra)、abs(Rs)和abs(Rm)分别表示Ra、Rs和Rm的幅度，phase(Ra)和phase(Rm)分别表示Ra和Rm的相位。
10.根据权利要求8所述的一种用于等离子体密度诊断的天线的反射数据标定方法，其特征在于，
Figure FDA0003818866280000033
其中，j为虚部。
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