【摘要】：高速飛行器再入大氣層及高速目標(biāo)在臨近空間高速飛行時將與大氣產(chǎn)生劇烈摩擦,使其動能持續(xù)轉(zhuǎn)換成熱能,持續(xù)產(chǎn)生的高溫將大氣電離成大量的中性粒子、正離子和自由電子,包覆在高速飛行器的表面,形成“等離子鞘套”。該層“等離子鞘套”將對射入其中的電磁波產(chǎn)生吸收、反射以及折射等作用,影響電磁波的傳播,造成通信“黑障”,從而制約著臨近空間的開發(fā)與利用。這些問題的本質(zhì)都涉及高速目標(biāo)等離子體的電磁科學(xué)問題。為了研究電磁波與等離子體的相互作用機(jī)理,利用電磁場探針技術(shù),應(yīng)用耦合原理,研究設(shè)計(jì)一種適應(yīng)于等離子體內(nèi)部電磁場測量的電磁場探針,以準(zhǔn)確的獲取等離子體內(nèi)部電磁場分布幅值與相位,為進(jìn)一步研究電磁波在等離子體中的傳播過程及等離子體與電磁波互相作用機(jī)制提供一個科學(xué)的研究測量平臺。本文首先介紹了基本的電磁輻射理論,分析了電磁場探針的基本工作原理,給出了電磁場探針的四個性能指標(biāo)參數(shù),包括:靈敏度、隔離度、帶寬以及分辨率,并分別對各個性能參數(shù)進(jìn)行了介紹,為探針的研究設(shè)計(jì)提供了標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)。隨后,分析了等離子體特性,由于傳統(tǒng)的同軸結(jié)構(gòu)探針無法適用于等離子體內(nèi)部復(fù)雜的工作環(huán)境,對探針結(jié)構(gòu)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換,將同軸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn),將金屬層保護(hù)在耐高溫介質(zhì)基片中,避免與等離子體直接接觸。同時,給出了探針整體設(shè)計(jì)方案,該設(shè)計(jì)將探針尾部進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸碳娱L,使探針能夠深入到等離子體內(nèi)部進(jìn)行電磁場掃描測量。本文運(yùn)用3D電磁仿真軟件CST分別對共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)電場探針和磁場探針進(jìn)行了建模、仿真,研究了不同內(nèi)導(dǎo)體長度、頻率等對探針各項(xiàng)性能參數(shù)的影響。針對共面波導(dǎo)磁場探針不平衡結(jié)構(gòu)導(dǎo)致掃描測量微帶線表面Y方向磁場分布左右波峰不對稱問題,提出了切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案,并仿真驗(yàn)證了該方案良好的測量效果。經(jīng)綜合考慮探針各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù),本文所設(shè)計(jì)的電場探針內(nèi)導(dǎo)體長度為3mm,接收功率達(dá)-36.6dBm,分辨率達(dá)1.5mm;改進(jìn)后的磁場探針接收功率達(dá)-35.5dBm,分辨率達(dá)1.5mm。最后,對探針進(jìn)行了實(shí)物加工,并搭建了電磁場掃描測量系統(tǒng),分別對電場探針和磁場探針進(jìn)行了掃描微帶線表面電磁場分布實(shí)測,實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了探針良好的工作性能,能夠滿足工程應(yīng)用需求。
【圖文】：

通過改變探針內(nèi)導(dǎo)體的對應(yīng)方向，能夠分別測量 X 和 Y 方向的電場分量。（a）同軸磁場探針 （b）同軸法向電場探針 （c）同軸切向電場探針圖1.1 同軸結(jié)構(gòu)電磁場探針

這種探針的應(yīng)用范圍非常局限。（a）雙環(huán)磁場探針 （b）方形磁場探針圖1.2 磁場探針1991 年，Bansal 和 Grzybowski 研究設(shè)計(jì)了具有特殊結(jié)構(gòu)的磁場探針[14]，與以往探針不同的是，該探針采用的是一種半環(huán)形結(jié)構(gòu)，，雖然探針具有良好的性能，但是由于制造成本高昂，而且制作起來非常復(fù)雜，并不適用于大規(guī)模應(yīng)用。為了解決所有與現(xiàn)有磁場探頭有關(guān)的問題，1995 年，Yingjie Gao 和 Ingo Wolff 設(shè)計(jì)了一種新型的方形磁場探頭[15]，如圖 1.2（b）所示。該磁場探頭可用于平面高頻電路中的磁場分布測量。首先在 3×20mm RT Duorid 襯底（ 2.2, 0.5r=ε =h mm）上蝕刻探針和短傳輸線
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V419;O53

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