测量电推进电磁辐射信号的微波探针

本发明涉及一种测量电推进电磁辐射信号的微波探针，属于航天电推进领域。

背景技术：

1、电推进系统，也称电推力器，其工作原理是先将氙气等惰性气体转化为带电离子，然后把这些离子加速并喷出以产生推进力，进而完成航天器的姿态控制、轨道修正和轨道维持等任务。近年来，电推进技术发展迅速，其凭借高比冲、携带燃料少、花费成本低等优点在高轨通信卫星、低轨小卫星、空间站和深空探测等任务得到广泛应用。

2、不稳定性是电推进系统的共性问题，影响较大。目前研究不稳定性主要采用探针进行接触式测量、监视电源电流电压波动和高速摄像几种方式。探针测量最常用，但其会干扰等离子体放电，导致测量结果并不是系统的自在状态；电源电压电流波动是另一种实验室最常见的测量方式，其测量结果会受到电源本身电容、电感等元件的滤波，测量结果也不是等离子体的自在状态，所以探针测量和监视电源电流电压都不能准确表征等离子体波动。高速摄像虽然不干扰等离子体放电，但是由于采集的光来源于电子-原子激发和退激过程，解耦电子和原子单方面的信息难度很大，收到模型假设条件的限制，精度有限。

3、上述这些手段还有一个严重的共性问题，就是带宽不足。探针受到鞘层频响的限制；高速摄像受到相机帧率和存储深度的相互制约，使得二者难以研究频率>10mhz的不稳定性，而该频段的微观不稳定性偏偏对电子传导的影响最大，也是电推进基础研究最关注的。

4、考虑到等离子体不稳定性一般伴随着电磁辐射这一规律，可以借助微波测量诊断电磁辐射信号获取不稳定的信息。微波测量是一种宽频域、非接触式、非滤波的测量手段，通过获得不稳定性的全谱段特性，有利于研究不同频段不稳定性的相互作用关系、反演不同部件放电的相互影响、实时在线监测放电状态等理论与工程问题，具有一定实用性。

5、微波测量由来已久，存在各种各样的天线装置可测量微波信号，但在空间电推进上使用具有如下限制条件：

6、1)电推进系统当中产生的等离子体尺寸小，一般在分米量级，由于需要寻找微波辐射源位置，在测量中需要实现较好的空间分辨，因此需要将天线尺寸压缩到很小，普通的喇叭天线几乎不可用；

7、2)电推进产生的电磁辐射信号极化方向不可预测，且随不稳定性频移具有时变性，测量手段需要具备角向分辨，准确测定其极化方向和变化趋势，固定极化方向的天线也几乎无法使用；

8、3)电推进不稳定性频谱跨越8-9个数量级，例如存在hz量级的热不稳定性、khz量级的电离不稳定性、mhz量级的离子声速湍流和ghz量级尚不明确的稳定性等，这使得天线需要有很大的带宽；

9、4)天线处于真空腔室，会与等离子体产生静电耦合，耦合进静电信号，需要屏蔽等离子体的静电干扰，也需要保护天线免收等离子体溅射。

10、这些因素导致设计固化的商用天线，如喇叭天线、螺旋天线等，只能用于电磁辐射水平的宏观评估，无法用于微观等离子体不稳定性的研究。

技术实现思路

1、针对现有探针无法对电推进系统的微观等离子体不稳定性进行测量的问题，本发明提供一种测量电推进电磁辐射信号的微波探针。

2、本发明的一种测量电推进电磁辐射信号的微波探针，包括天线、保护层、参考电极和sma接头；保护层设置在天线的外表面，天线的连接端穿过参考电极与sma接头连接，参考电极设置在保护层一端，用于静电屏蔽；

3、天线的长度为：

4、

5、其中，c为光速，fmax为天线所测频率上限，λs为波长缩短率。

6、作为优选，fmax为2ghz，天线为3mm镀银铜芯线，l为36mm。

7、作为优选，天线的阻抗为50欧姆或75欧姆。

8、作为优选，参考电极为金属制的薄圆盘。

9、作为优选，保护层采用透波且耐热的绝缘材料制成。

10、作为优选，保护层为二氧化硅玻璃管。

11、本发明提供一种电推进电磁辐射信号的测量系统，包括上述微波探针和测量装置；微波探针的sma接头通过同轴导线连接测量装置，用于得到微波探针测量到的电磁辐射信号。

12、本发明提供一种电推进电磁辐射信号的测量系统，包括两个上述微波探针和测量装置；两个微波探针的sma接头分别通过同轴导线连接一个测量装置，用于得到两个微波探针测量到的电磁辐射信号，两个微波探针垂直放置，分别用于测量x轴方向和y轴方向的电磁辐射信号。

13、作为优选，测量装置为频谱仪或高采样率高分辨率示波器。

14、本发明的有益效果，本发明应用于电推进系统的非接触式测量，其避免了等离子体的干扰，可以准确测量电推进系统中推力器和空心阴极产生的电磁辐射信号，拓展了振荡频率的测量范围，获得了不稳定性的全谱特性；本发明在电磁辐射信号的极化方向上可以采用组合微波探针，测定极化方向和其随不稳定频移的变化，从而实现了极化方向的实时监视；采用参考电极的手段，消除了电推进工作产生的对测量的静电干扰；使用透波耐热材料保护探针，防止等离子体对探针的溅射轰击。

技术特征：

1.测量电推进电磁辐射信号的微波探针，其特征在于，所述微波探针包括天线、保护层、参考电极和sma接头；保护层设置在天线的外表面，天线的连接端穿过参考电极与sma接头连接，参考电极设置在保护层一端，用于静电屏蔽；

2.根据权利要求1所述的测量电推进电磁辐射信号的微波探针，其特征在于，fmax为2ghz，天线为3mm镀银铜芯线，l为36mm。

3.根据权利要求1所述的测量电推进电磁辐射信号的微波探针，其特征在于，天线的阻抗为50欧姆或75欧姆。

4.根据权利要求1所述的测量电推进电磁辐射信号的微波探针，其特征在于，参考电极为金属制的薄圆盘。

5.根据权利要求1所述的测量电推进电磁辐射信号的微波探针，其特征在于，保护层采用透波且耐热的绝缘材料制成。

6.根据权利要求5所述的测量电推进电磁辐射信号的微波探针，其特征在于，保护层为二氧化硅玻璃管。

7.电推进电磁辐射信号的测量系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1所述的微波探针和测量装置；微波探针的sma接头通过同轴导线连接测量装置，用于得到微波探针测量到的电磁辐射信号。

8.电推进电磁辐射信号的测量系统，其特征在于，所述系统包括两个权利要求1所述的微波探针和测量装置；两个微波探针的sma接头分别通过同轴导线连接一个测量装置，用于得到两个微波探针测量到的电磁辐射信号，两个微波探针垂直放置，分别用于测量x轴方向和y轴方向的电磁辐射信号。

9.根据权利要求2所述的电推进电磁辐射信号的测量系统，其特征在于，所述测量装置为频谱仪或高采样率高分辨率示波器。

技术总结
测量电推进电磁辐射信号的微波探针，解决了现有探针无法对电推进系统的微观等离子体不稳定性进行测量的问题，属于航天电推进领域。本发明的微波探针包括天线、保护层、参考电极和SMA接头；保护层设置在天线的外表面，天线的连接端穿过参考电极与SMA接头连接，参考电极设置在保护层一端，用于静电屏蔽；天线的长度为：c为光速，f
技术研发人员：孟天航,王佰胜,宁中喜,于达仁
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21