CN219204765U - 一种多拍频等离子体电子密度测量设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电子科学技术领域，公开了一种多拍频等离子体电子密度测量设备，包括：正反馈闭合回路；第三二路多工器，与所述正反馈闭合回路的输出端连接，所述第三二路多工器的两路输出端分别连接第二定向耦合器和第三定向耦合器，所述第二定向耦合器和第三定向耦合器的直通端分别连接用于采集等离子体信号的测量电路，正交调节器，所述正交调节器的本振端和射频端分别接入第一混频器的输出信号和所述测量电路的输出信号；压控电源频组件，用于提供不同频率的电信号，所述不同频率的电信号分别接入所述第三混频器和第四混频器的本振端。本实用新型的测量设备可以同时测量不同时间尺度、不同量级和不同大小尺寸的等离子体电子密度。

Description

一种多拍频等离子体电子密度测量设备

技术领域

本实用新型涉及电子科学技术领域，具体涉及一种多拍频等离子体电子密度测量设备。

背景技术

等离子体是由带正电、负电荷的离子和电子及中性原子和分子组成的电中性集合体，根据其本身的温度高低可以分为高温等离子体、热等离子体和冷等离子体，其中高温等离子体在热核聚变研究和航空航天领域较为常见，热等离子体和冷等离子体在日常生活中具有广泛的应用。除了温度是重要指标之外，等离子体的电子密度也是非常关键的参数之一。在热核聚变研究领域，除了要求很高的温度才能克服库伦排斥力，同时还要求很高的密度和足够长的时间才能发生充分的核反应并释放足够大能量。在航空航天领域，可以根据等离子体密度量级判断发动机性能。此外，可以通过电子密度估算介质阻挡放电(DBD)装置的气体电离率。不难发现，等离子体的诸多应用都与电子密度密切相关。但是不同领域电子密度量级跨度非常大，核聚变领域密度达到1019m-3次方量级，但是在DBD装置里面却只有1016m-3次方量级。与此同时，在不同领域等离子体存在时间也不同，在DBD装置中通常以小时为计量单位，磁约束核聚变装置以秒为单位，风洞则通常发生纳秒级事件。等离子体存在时间跨度大，电子密度量级差别大，这对电子密度测量设备具有非常高的要求。此外，等离子体尺寸过小也对电子密度测量设备也是严峻的考验。目前用于测量电子密度的设备主要包括激光干涉仪、微波干涉仪和静电探针。激光干涉仪结构复杂且庞大，通常需要光路传输，无法灵活测量小尺度等离子体。静电探针需要接触等离子体才能进行测量，当等离子体温度过高或者存在高压时，探针容易被烧毁或者受到严重干扰。微波干涉仪结构简单，对测量环境要求低，只要微波能够穿透即可进行测量。因此，这种诊断设备成为等离子体电子密度重要测量诊断，在各个领域都能应用。但是由于特殊物理测量需求，微波干涉仪仅仅用于测量特定量级和时间尺度的等离子体密度，无法同时测量不同时间尺度、不同量级和不同大小尺寸的等离子体电子密度。

实用新型内容

本实用新型提供一种多拍频等离子体电子密度测量设备，以解决上述问题。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种多拍频等离子体电子密度测量设备，包括：

正反馈闭合回路，用于对所述正反馈闭合回路自身内部的电子噪声进行不断滤波、功放后输出两个不同频率的高频率微波；

第三二路多工器，与所述正反馈闭合回路的输出端连接，所述第三二路多工器的两路输出端分别连接第二定向耦合器和第三定向耦合器，所述第二定向耦合器和第三定向耦合器的直通端分别连接用于采集等离子体信号的测量电路，所述第二定向耦合器和第三定向耦合器的耦合端分别连接第一混频器的本振端和射频端，

第三混频器，所述第三混频器的射频端用于接入第一混频器的输出信号；

第四混频器，所述第四混频器的射频端用于接入所述测量电路的输出信号；

正交调节器，所述正交调节器的本振端和射频端分别接入第一混频器的输出信号和所述测量电路的输出信号；

压控电源频组件，用于提供不同频率的电信号，所述不同频率的电信号分别接入所述第三混频器和第四混频器的本振端。

作为优化，所述正反馈闭合回路包括第一二路多工器、滤波器阵列、放大器阵列、第二二路多工器和第一定向耦合器，所述第一二路多工器的输出端与所述滤波器阵列的输入端连接，所述滤波器阵列的输出端与所述放大器阵列的输入端连接，所述放大器阵列的输出端与所述第二二路多工器的输入端连接，所述第二二路多工器的输出端与所述第一定向耦合器的输入端连接，所述第一定向耦合器的耦合端与所述第一二路多工器的输入端连接，所述第一定向耦合器的直通端与第三二路多工器的输入端连接。

作为优化，所述滤波器阵列设有两个滤波频率范围的滤波器，所述放大器阵列设有两个放大器，所述第一二路多工器的两个输出端均分别依次通过一个滤波器和一个放大器与第二二路多工器的两个输入端连接。

作为优化，所述测量电路包括发射天线、接收天线和第二混频器，所述第二定向耦合器的直通端与所述发射天线的接收端连接，所述发射天线的输出端与等离子体连接，所述接收天线的输入端接收来自等离子体的信号，所述接收天线的输出端与所述第二混频器的射频端连接，所述第三定向耦合器的直通端与所述第二混频器的本振端连接，所述第二混频器的输出端输出的信号传输至第四混频器的射频端。

作为优化，所述第二定向耦合器与所述发射天线之间串联设有隔离器。

作为优化，还包括第一功分器、第二功分器，所述第一功分器的输入端与所述第一混频器的输出端连接；所述第二功分器的输入端与所述第二混频器的输出端连接；所述第一功分器的其中一个输出端与所述第三混频器的射频端连接，所述第二功分器的其中一个输出端与所述第四混频器的射频端连接，所述第一功分器和第二功分器的另一个输出端分别连接正交调节器的本振端和射频端。

作为优化，所述压控电源频组件包括多个电压值不同的稳压电源、与所述稳压电源数量对应的多通道触摸开关以及压控点频源，多个所述稳压电源通过所述多通道触摸开关与所述压控点频源的输入端连接，所述压控点频源的输出端分别与所述第三混频器和第四混频器的本振端连接。

作为优化，所述第三混频器和第四混频器的工作频率均低于第一混频器，且所述第三混频器和第四混频器的工作频率均低于第二混频器。

作为优化，所述第一二路多工器的两个输出端口和第二二路多工器的两个输入端口匹配，所述第一二路多工器的一个输入端口和第二二路多工器的一个输出端口匹配。

作为优化，所述稳压电源设有3组。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本实用新型的测量设备可以同时测量不同时间尺度、不同量级和不同大小尺寸的等离子体电子密度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型所述的一种多拍频等离子体电子密度测量设备的各器件的连接示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

Ⅰ-正反馈闭合回路；Ⅱ-测量电路；1-第一二路多工器；2-滤波器阵列；3-放大器阵列；4-第二二路多工器；5-第一定向耦合器；6-第三二路多工器；7-第二定向耦合器；8-隔离器；9-发射天线；10-第一混频器；11-第三定向耦合器；12-第二混频器；13-接收天线；14-第一功分器；15-正交解调器；16-第二功分器；19-第三混频器；18-压控点频源；17-第四混频器；20-三通道触摸开关；21-第一稳压电源；22-第二稳压电源；23-第三稳压电源

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

本实施例1提供一种多拍频等离子体电子密度测量设备，如图1所示，

主要由二路多工器、滤波器阵列、放大器阵列、定向耦合器、隔离器、发射天线、混频器、接收天线、功分器、正交解调器、点频源、多通道触摸开关和稳压电源等组成。

本实施例中，稳压电源采用3组不同电压的稳压电源，多通道触摸开关采用三通道触摸开关。

具体的，包括：

正反馈闭合回路Ⅰ，用于对正反馈闭合回路Ⅰ自身内部的电子噪声进行不断滤波、功放后输出两个不同频率的高频率微波；

第三二路多工器6，与正反馈闭合回路的输出端连接，第三二路多工器6的两路输出端分别连接第二定向耦合器7和第三定向耦合器11，第二定向耦合器7和第三定向耦合器11的直通端分别连接用于采集等离子体信号的测量电路，第二定向耦合器7和第三定向耦合器11的耦合端分别连接第一混频器10的本振端和射频端，第一定向耦合器5、第二定向耦合器7和第三定向耦合器11的结构相同、参数相同，主要用于将信号一分为二并对功率进行合理分配；

第三混频器19，第三混频器19的射频端用于接入第一混频器10的输出信号；

第四混频器17，第四混频器17的射频端用于接入测量电路的输出信号；

正交调节器15，正交调节器15的本振端和射频端分别接入第一混频器10的输出信号和所述测量电路的输出信号；

压控电源频组件，用于提供不同频率的电信号，不同频率的电信号分别接入第三混频器19和第四混频器17的本振端。

本实施例中，正反馈闭合回路Ⅰ包括第一二路多工器1、滤波器阵列2、放大器阵列3、第二二路多工器4和第一定向耦合器5，第一二路多工器1的输出端与滤波器阵列2的输入端连接，滤波器阵列2的输出端与放大器阵列3的输入端连接，放大器阵列3的输出端与第二二路多工器4的输入端连接，第二二路多工器4的输出端与第一定向耦合器5的输入端连接，第一定向耦合器5的耦合端与第一二路多工器1的输入端连接，第一定向耦合器5的直通端与第三二路多工器6的输入端连接，更具体的，滤波器阵列2设有两个滤波频率范围的滤波器，放大器阵列3设有两个放大器，第一二路多工器1的两个输出端均分别依次通过一个滤波器和一个放大器与第二二路多工器4的两个输入端连接。

滤波器阵列2包括两个滤波频率范围不相同的滤波器，这两个滤波器具有比第一二路多工器1更窄的滤波范围，主要用于提高输出频率的精度；放大器阵列3包括两个相同的放大器，主要用于功率放大，其决定整个测量设备的信噪比，本实施例中，要求输出功率不能小于15dBm。

第一二路多工器1、第二二路多工器4和第三二路多工器6的结构相同，滤波频率范围和带宽等基本参数完全一致，其中第一二路多工器1和第二二路多工器4要求端口相互匹配。

本实施例中，测量电路Ⅱ包括发射天线9、接收天线13和第二混频器12，第二定向耦合器7的直通端通过串联隔离器8与发射天线9的接收端连接，发射天线9的输出端与等离子体连接，接收天线13的输入端接收来自等离子体的信号，接收天线13的输出端与第二混频器12的其中一个输入端连接，第三定向耦合器11的直通端与第二混频器12的本振端连接，第二混频器12的输出端输出的信号传输至第四混频器17的射频端。

发射天线9和接收天线13的结构相同、相关设计参数相同，用于发射和接收信号，隔离器8的设置主要是为了避免高功率微波反向传播从而烧毁前端微波器件。

第一混频器10和第二混频器12的结构相同、相关设计参数相同，主要用于降低频率从而方便后端数据处理。

还包括第一功分器14、第二功分器16，第一功分器14的输入端与第一混频器10的输出端连接；第二功分器16的输入端与第二混频器12的输出端连接；第一功分器14的其中一个输出端与第三混频器19的射频端连接，第二功分器16的其中一个输出端与第四混频器17的射频端连接，第一功分器14和第二功分器16的另一个输出端分别连接正交调节器15的本振端和射频端。

第一功分器14和第二功分器16将初级中频信号一分为二之后，并将各自一路送入正交解调器，正交解调器直接对两个信号进行正交解调并产生两个正交的零频信号，最后输出一对正交的信号(对这两个正交信号进行反正切运算就可以提取相信息从而获取电子线平均密度)；

本实施例中，压控电源频组件包括3个电压值不同的稳压电源、与稳压电源数量对应的三通道触摸开关20以及压控点频源18，3个稳压电源通过三通道触摸开关20与压控点频源18的输入端连接，压控点频源18的输出端分别与第三混频器19和第四混频器17的本振端连接。

三个稳压电源(第一稳压电源21、第二稳压电源22和第三稳压电源23的结构相同，但是其输出的电压不同)，不同的电压通过压控点频源18输出不同的特定频率的微波，从而获取不同的拍频，三通道触摸开关20可以选择和控制输入哪一路稳压电压。

第三混频器19和第四混频器17的结构相同、相关设计参数相同，其工作频率低于第一混频器10和第二混频器12，目的是用于进一步降低频率从而方便后端数据处理，其中第三混频器19的输出信号就是测量信号，第四混频器17的输出信号为参考信号。

具体实施过程如下：

第一二路多工器1、滤波器阵列2、放大器阵列3、第二二路多工器4和第一定向耦合器5构成一个闭合的正反馈回路，通过对闭合回路内电子噪声不断进行滤波和功率放大从而输出两个不同频率的高功率微波；第三二路多工器6将同步输出的两个微波一分为二，其中一路经过第二定向耦合器7、隔离器8和发射天线9进入等离子体，作为测量信号；另外一路经过第三定向耦合器11进入第二混频器并与测量信号进行变频处理；第一功分器14和第二功分器16将初级中频信号一分为二之后，并将各自一路送入正交解调器15，最后输出一对正交的信号(对这两个正交信号进行反正切运算就可以提取香信息从而获取电子线平均密度)；压控点频源18根据稳压点源输出的电压输出两路特定频率的信号，通过设计第一稳压电源21、第二稳压电源22和第三稳压电源23的电压值，并利用三通道触摸开关20进行选择，使得第三混频器17和第四混频器19依次输出拍频频率为1MHz、10MHz和100MHz的信号。因此，本实用新型涉及的一种多拍频等离子体电子密度测量设备具有零频、1MHz、10MHz和100MHz四种拍频信号。对于大尺寸、高密度和稳定存在的等离子体，如磁约束聚变等离子体可以使用零频和1MHz拍频信号进行测量；对于大尺度、低密度、变化较快的等离子体可以利用10HMz拍频信号测量；对于小尺度、低密度的瞬态等离子体需要利用10HMz拍频信号测量，适用于核科学技术、空航航天和兵器等军事及民用领域。

实施例2

本实施例中，稳压电源的数量设为除3组以外的其他数量，其他技术方案与实施例1相同。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多拍频等离子体电子密度测量设备，其特征在于，包括：

正反馈闭合回路，用于对所述正反馈闭合回路自身内部的电子噪声进行不断滤波、功放后输出两个不同频率的高频率微波；

第三二路多工器，与所述正反馈闭合回路的输出端连接，所述第三二路多工器的两路输出端分别连接第二定向耦合器和第三定向耦合器，所述第二定向耦合器和第三定向耦合器的直通端分别连接用于采集等离子体信号的测量电路，所述第二定向耦合器和第三定向耦合器的耦合端分别连接第一混频器的本振端和射频端；

第三混频器，所述第三混频器的射频端用于接入第一混频器的输出信号；

第四混频器，所述第四混频器的射频端用于接入所述测量电路的输出信号；

正交调节器，所述正交调节器的本振端和射频端分别接入第一混频器的输出信号和所述测量电路的输出信号；

压控电源频组件，用于提供不同频率的电信号，所述不同频率的电信号分别接入所述第三混频器和第四混频器的本振端。

2.根据权利要求1所述的一种多拍频等离子体电子密度测量设备，其特征在于，所述正反馈闭合回路包括第一二路多工器、滤波器阵列、放大器阵列、第二二路多工器和第一定向耦合器，所述第一二路多工器的输出端与所述滤波器阵列的输入端连接，所述滤波器阵列的输出端与所述放大器阵列的输入端连接，所述放大器阵列的输出端与所述第二二路多工器的输入端连接，所述第二二路多工器的输出端与所述第一定向耦合器的输入端连接，所述第一定向耦合器的耦合端与所述第一二路多工器的输入端连接，所述第一定向耦合器的直通端与第三二路多工器的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种多拍频等离子体电子密度测量设备，其特征在于，所述滤波器阵列设有两个滤波频率范围的滤波器，所述放大器阵列设有两个放大器，所述第一二路多工器的两个输出端均分别依次通过一个滤波器和一个放大器与第二二路多工器的两个输入端连接。

4.根据权利要求1所述的一种多拍频等离子体电子密度测量设备，其特征在于，所述测量电路包括发射天线、接收天线和第二混频器，所述第二定向耦合器的直通端与所述发射天线的接收端连接，所述发射天线的输出端与等离子体连接，所述接收天线的输入端接收来自等离子体的信号，所述接收天线的输出端与所述第二混频器的射频端连接，所述第三定向耦合器的直通端与所述第二混频器的本振端连接，所述第二混频器的输出端输出的信号传输至第四混频器的射频端。

5.根据权利要求4所述的一种多拍频等离子体电子密度测量设备，其特征在于，所述第二定向耦合器与所述发射天线之间串联设有隔离器。

6.根据权利要求4或5所述的一种多拍频等离子体电子密度测量设备，其特征在于，还包括第一功分器、第二功分器，所述第一功分器的输入端与所述第一混频器的输出端连接；所述第二功分器的输入端与所述第二混频器的输出端连接；所述第一功分器的其中一个输出端与所述第三混频器的射频端连接，所述第二功分器的其中一个输出端与所述第四混频器的射频端连接，所述第一功分器和第二功分器的另一个输出端分别连接正交调节器的本振端和射频端。

7.根据权利要求1所述的一种多拍频等离子体电子密度测量设备，其特征在于，所述压控电源频组件包括多个电压值不同的稳压电源、与所述稳压电源数量对应的多通道触摸开关以及压控点频源，多个所述稳压电源通过所述多通道触摸开关与所述压控点频源的输入端连接，所述压控点频源的输出端分别与所述第三混频器和第四混频器的本振端连接。

8.根据权利要求4或5所述的一种多拍频等离子体电子密度测量设备，其特征在于，所述第三混频器和第四混频器的工作频率均低于第一混频器，且所述第三混频器和第四混频器的工作频率均低于第二混频器。

9.根据权利要求2所述的一种多拍频等离子体电子密度测量设备，其特征在于，所述第一二路多工器的两个输出端口和第二二路多工器的两个输入端口匹配，所述第一二路多工器的一个输入端口和第二二路多工器的一个输出端口匹配。

10.根据权利要求7所述的一种多拍频等离子体电子密度测量设备，其特征在于，所述稳压电源的数量为3组。

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