一種無阻尼電磁波功率傳輸裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種微波功率傳輸裝置，適用于電磁推力器的推力標(biāo)定。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，作為一種新概念推進(jìn)技術(shù)，電磁推進(jìn)技術(shù)不斷得到發(fā)展，已成為各國航天 領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注和研究的課題，相繼開展了電磁推進(jìn)技術(shù)的相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。為標(biāo)定電磁推進(jìn) 產(chǎn)生的微小推力，需要排除由試驗(yàn)設(shè)備，如微波傳輸線等引起的干擾力矩以實(shí)現(xiàn)精確測量。
[0003] 當(dāng)前精確測量電磁推力器推力的方法是將電磁推力器安裝在扭擺上，為推力器提 供電磁波功率的微波設(shè)備與推力器之間由傳輸線連接，在加電情況下利用扭擺的位移反算 出推力。為避免微波傳輸線干擾力矩對(duì)推力測量的影響，國內(nèi)外通常采用將微波設(shè)備安裝 在扭擺配重端而將其供電導(dǎo)線與地面電源之間通過液態(tài)導(dǎo)電液實(shí)現(xiàn)無阻尼連接。該方法在 測試中需將微波設(shè)備安裝在扭擺上，會(huì)增加扭擺的承重從而降低測量精度；同時(shí)，由于導(dǎo)電 液易蒸發(fā)，因此這種無阻尼連接方式不易操作且不能用于真空試驗(yàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種電磁波功率傳輸裝 置，可以解決現(xiàn)有電磁推力器推力測量過程中微波傳輸線干擾力矩對(duì)推力測量的干擾問 題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種無阻尼電磁波功率傳輸裝置，包括半開放式諧振 腔本體、輸入端、上蓋和輸出端，所述的半開放式諧振腔本體為一端開口的空心圓柱體，所 述空心圓柱體的高度為H，底面半徑為R;所述的上蓋為半徑為R1的圓盤，且Rl>R，所述 的圓盤平行位于所述空心圓柱體的開口端，且空心圓柱體的軸線經(jīng)過圓盤的中心，圓盤與 空心圓柱體側(cè)壁的距離0〈dLl〈πR/v。;所述的輸入端和輸出端均為同軸電纜，且輸入端位 于上蓋的中心位置，輸出端位于所述空心圓柱體的外側(cè)底部且距離底部中心R/2~R/3位 置處；所述空心圓柱體的高度為Η和底面半徑為R滿足關(guān)系式：
[0006]
[0007] 其中，c為真空中的光速，f為電磁波的頻率，V。是〇階貝塞爾函數(shù)Jjk。? = 0 的第1個(gè)非零根，k=ω/c，ω= 2 31f，kfVQ/R為電磁波的截止波數(shù)。
[0008] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明將復(fù)合幾何體傳輸腔體應(yīng)用于微推力 測量試驗(yàn)，基于電磁波在波導(dǎo)中的傳播原理，利用開放式腔體替代微波傳輸線，既保證了電 磁波可以有效地從微波源向推力器傳輸，又避免了微波源與推力器之間的接觸阻尼，為該 領(lǐng)域提供了一種無阻尼微波功率傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式。同時(shí)，基于本發(fā)明的裝置能夠?qū)⒌孛婀?電設(shè)備、微波設(shè)備、微波傳輸設(shè)備等與測力扭擺進(jìn)行有效分離，極大地降低了扭擺的承重， 進(jìn)而大幅提高了電推力器推力測量試驗(yàn)的操作性和測量精度。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明傳輸裝置的俯視圖；
[0010] 圖2為本發(fā)明傳輸裝置的正視圖；
[0011] 圖3為本發(fā)明傳輸裝置的側(cè)視圖。
[0012] 圖中1表示半開放式諧振腔本體；2表示輸入端；3表示上蓋金屬圓盤；4表示輸出 端。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 本發(fā)明結(jié)合半開放式圓柱結(jié)構(gòu)的傳輸性能和二維移動(dòng)機(jī)構(gòu)的屏蔽性能，形成復(fù)合 幾何體微波功率傳輸腔體。通過調(diào)節(jié)二維移動(dòng)機(jī)構(gòu)，在對(duì)中條件下可以將輸入端輸入的微 波以滿足功率衰減小于〇. 5dB要求的形式在輸出端提取出來。
[0014](一）給定微波頻率f(單位GHz)，復(fù)合幾何體傳輸腔體的半開放式諧振腔本體1 按該諧振頻率設(shè)計(jì)。根據(jù)給定微波頻率f及所需諧振模式計(jì)算出半開放式諧振腔本體1的 半徑R(單位米）和高度Η(單位米）。具體方法如下所示。
[0015] 根據(jù)無源麥克斯韋方程組
[0016]
[0017] 其中Ε和Η分別表不電磁波的電場分量和磁場分量，ε和μ分別表不電磁波在 空氣中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，▽表示梯度算子，t表示時(shí)間。諧振腔內(nèi)的電磁場滿足齊次亥 姆霍茲方程
[0018]
[0019] 其中V2為拉普拉斯算符。
[0020] 由于電磁波滿足時(shí)間簡諧特點(diǎn)，具有因子exp(icot)，因此可以將⑵式寫為
[0021]
[0022] 其中ω= 2πf表示電磁波的角頻率，i為虛數(shù)因子。將梯度算子寫為：
[0023]
|4)
[0024] 其中▽表示梯度算子的橫向分量，ez表示軸向方向單位向量，z表示軸向方向（BP 圓柱腔體對(duì)稱軸方向）。
[0025] 本發(fā)明利用的是軸向傳播的電磁波，可以假設(shè)電磁波在軸向具備傳播因子 exp(-i3Z)，其中β表示電磁波軸向波數(shù)。將（4)式代入（3)式，得到腔體內(nèi)電磁波的電場 分量滿足公式
[0026]
(§)
[0027] 其中Εζ表示電磁場軸向分量，并定義k=ω/c，c表示真空中的光速。
[0028] 通常取最低階模式TM01模為輸能裝置中電磁波的形式，解（5)式得
[0029]Εζ-Jo(kcr)exp(0z-i?t) (6)其中J。為0階貝塞爾函數(shù)，且定義
表示截止波數(shù)，r表示徑向方向（以圓柱腔體對(duì)稱軸為軸向方向，從對(duì)稱軸指 向圓柱腔體表面為r正向）。
[0030] 為滿足電磁波在傳輸腔體中輸能的條件，β必須為虛數(shù)，即
[0031] k^kc (7)
[0032] 當(dāng)k=k。時(shí)的頻率為截止頻率，相應(yīng)的電磁波波長為截止波長λ。
[0033]
(8) '6'.
[0034] 根據(jù)腔體半徑r=R時(shí)Εζ= 0的邊界條件，在（6)式中存在關(guān)系式
[0035] J〇 (kcR) = 0 (9)
[0036]即
[0037]
(10)
[0038] 其中v。是〇階貝塞爾函數(shù)的第1個(gè)非零根。
[0039] 將（10)式代入⑶式得
[0040]
(11)
[0041] 在λ彡λ。約束條件下，電磁波頻率f與腔體半徑R之間存在關(guān)系式：
[0042]
(12) J：· κ 0：
[0043] 整理得
[0044]
(13)
[0045] 通常情況下取R=c·ν。/2πf，此即腔體半徑R的設(shè)計(jì)公式。
[0046] 對(duì)于腔體高度Η的設(shè)計(jì)，需同時(shí)滿足輸入輸出裝置中天線安裝的長度要求和電磁 波傳輸?shù)墓β室?，可選取經(jīng)驗(yàn)公式：
[0047]
(14)
[0048] 根據(jù)公式（13)和（14)即可得到腔體的基本尺寸要求，具體如圖1、圖2和圖3所 不。
[0049](二）為保證電磁波在傳輸過程中的安全性，如圖2和圖3所示，要求
[0050]R1>R(15)并規(guī)定在實(shí)際使用中保持圓盤下表面與半開放式諧振腔本體1上表 面之間的距離dLl滿足小于半波長的要求
[0051] 0〈dLl〈JiR/v。 （16)
[0052] 同時(shí)為保證輸入圓盤與傳輸腔體之間無阻尼接觸（即（16)式中dLl>0的規(guī)定） 和二者之間的對(duì)中性，需要為本傳輸裝置配置相應(yīng)的支撐。
[0053] (三）參數(shù)匹配調(diào)整。在給定微波頻率f，分取可以滿足匹配要求的諧振腔諧振模 式計(jì)算所需的開放式圓柱形諧振腔和金屬圓盤尺寸，拼接后得到無阻尼電磁波功率傳輸設(shè) 備復(fù)合體。
[0054] 在實(shí)際使用過程中，可以在電磁仿真軟件內(nèi)建立三維電磁場模型（材質(zhì)選用銅等 良導(dǎo)體），仿真計(jì)算品質(zhì)因數(shù)Q、衰減系數(shù)等電磁波參數(shù)以優(yōu)化復(fù)合體結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明， 在1. 44~1. 54GHz頻段范圍內(nèi)，本發(fā)明傳輸設(shè)備能將大于90%的微波能量從輸入端傳輸至 輸入端，滿足電磁推力器推力測量試驗(yàn)要求。
[0055] (四）設(shè)備加工和電磁特性測量。
[0056] 根據(jù)理論計(jì)算和軟件仿真得到的參數(shù)可以加工出微波功率傳輸設(shè)備實(shí)物，為確認(rèn) 微波功率傳輸設(shè)備的電磁性能，可以利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)微波功率傳輸設(shè)備的輸入輸出 性能進(jìn)行測量。經(jīng)過電磁特性測量的微波功率傳輸設(shè)備即可用于電磁推力器的推力測量試 驗(yàn)。
[0057] 本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無阻尼電磁波功率傳輸裝置，其特征在于：包括半開放式諧振腔本體（1)、輸入 端（2)、上蓋（3)和輸出端（4)，所述的半開放式諧振腔本體（1)為一端開口的空心圓柱體， 所述空心圓柱體的高度為H，底面半徑為R;所述的上蓋（3)為半徑為R1的圓盤，且R1>R，所 述的圓盤平行位于所述空心圓柱體的開口端，且空心圓柱體的軸線經(jīng)過圓盤的中心，圓盤 與空心圓柱體側(cè)壁的距離0〈dLl〈πR/v。;所述的輸入端（2)和輸出端（4)均為同軸電纜， 且輸入端⑵位于上蓋⑶的中心位置，輸出端⑷位于所述空心圓柱體的外側(cè)底部且距 離底部中心R/2~R/3位置處；所述空心圓柱體的高度為Η和底面半徑為R滿足關(guān)系式：其中，c為真空中的光速，f為電磁波的頻率，V。是〇階貝塞爾函數(shù)Jjk#) =0的第1個(gè)非零根，k = ω/c，ω = 2 Jr f，kf vQ/R為電磁波的截止波數(shù)。
【專利摘要】一種無阻尼電磁波功率傳輸裝置，包括半開放式諧振腔本體(1)、輸入端(2)、上蓋(3)和輸出端(4)，半開放式諧振腔本體(1)為一端開口的空心圓柱體，所述空心圓柱體的高度為H，底面半徑為R。上蓋(3)為半徑為R1的圓盤，且R1>R，圓盤平行位于空心圓柱體的開口端且空心圓柱體的軸線經(jīng)過圓盤的中心。輸入端(2)和輸出端(4)均為同軸電纜，且輸入端(2)位于上蓋(3)的中心位置，輸出端(4)位于所述空心圓柱體的外側(cè)底部且距離底部中心R/2～R/3位置處。本發(fā)明傳輸裝置既保證了電磁波可以有效地從微波源向推力器傳輸，又避免了微波源與推力器之間的接觸阻尼，可以大幅提高電推力器推力測量試驗(yàn)的操作性和測量精度。
【IPC分類】H01P5/00
【公開號(hào)】CN105304993
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510725012
【發(fā)明人】彭維峰, 陳粵, 白光明
【申請(qǐng)人】中國空間技術(shù)研究院
【公開日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年10月30日