[发明专利]基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置及试验方法

说明书

本发明公开了基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置及试验方法，包括：激波管，用于产生激波，激波电离气体形成等离子体；低频电磁复合探头感知等离子体影响下的多频点低频电磁波信号，输出低频电场信号和低频磁场信号；多频点发射装置，用于产生并向外辐射多频点低频电磁波信号；多频点接收测量装置，用于通过处理波形数据获得多频点低频电磁波的传播特性；等离子体诊断装置，用于测量等离子体的电子密度、碰撞频率和激波速度。本发明基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置及试验方法实现了多频点低频电磁波的电场分量与磁场分量同位置同时测量，提高了激波等离子体参数的试验条件一致性，提高了激波管实验的测量效率。

技术领域

本发明属于电磁特性测量技术领域，涉及基于激波管的多频点低频电磁波传播特性测量装置及试验方法。

背景技术

激波管是一种利用压差产生激波的试验装置，高速前进的激波压缩低压区的气体，产生期待马赫数的高温等离子体流场，激波管是实验研究电磁波与等离子体相互作用的重要试验装置。现有的电磁波与等离子体相互作用的激波管试验研究主要在微波频段(300MHz-3000GHz)开展，通常接收并测量微波的电场分量信号以获得该频段的传播特性。

近些年低频电磁波在等离子体中的传播特性受到学者们关注(低频电磁波频率范围覆盖0.1至50MHz)。理论发现当低频电磁波频率f_c远低于等离子体的碰撞频率v_e，等离子体尺寸远小于低频电磁波波长时，低频电磁波的磁场分量与电场分量的传播特性不再相同，低频电磁波的磁场分量在等离子体鞘套中衰减远低于其电场分量衰减。高透射能力的低频磁场分量有望在飞行器黑障段传递关键信息，然而该理论仍未在实际高超声速等离子体环境中得到证实。因此，基于激波管实验装置产生的高超声速等离子体，有待开展激波管实验研究低频频段(0.1MHz～50MHz)电磁波与等离子体的相互作用。

然而，现有微波频段的激波管实验装置并不适用于低频电磁波频段。由于低频电磁波的波长大(长达数十米)，首先难以用小尺寸聚焦天线实现定向传输；其次难以在激波管的有限空间内设计电磁屏蔽结构，低频电磁波会绕射传播；再次小口径的透波窗口与金属激波管管壁引起截止波导效应，在截止频率以下的低频电磁波被截止无法穿透透波窗口与等离子体。因此，本申请需要对现有的激波管实验装置及结构进行改进，以适应低频电磁波的传播特性测量要求。

为了开展激波管实验研究低频电磁波与等离子体的相互作用，低频电磁波传播特性的激波管实验装置和实验方法被提出。理论研究表明，低频电磁波传播特性需要解耦为低频电场传播特性与低频磁场传播特性。因此，在低频电磁波频段进行激波管试验时需要将低频电磁波解耦为低频电场与低频磁场，以分开独立地感应低频电场与低频磁场在等离子体中的变化信号，并分别对其进行测量。然而，现有测量低频电磁波传播特性的激波管实验装置或者只提供测量低频磁场的低频磁场探头，没有可测量低频电场的装置，导致不能测量低频电场的传播特性；或者在激波管内两个不同位置分别安装感应低频磁场和低频电场的传感器，这种安装方式不仅需要额外增加安装位置，还会存在两路传感器的测试条件不同造成的测试时间偏差的问题，导致无法精确地获得低频电磁波在等离子体中的传播特性。

现有测量低频电磁波传播特性的激波管实验方法中，一次试验只能测量一个频点的低频电磁波在等离子体中的传播特性，若要测量多个频点的低频电磁波在等离子体中的传播特性必须开展多次激波管试验，这使得现有实验方法的测量效率极低。中国专利CN108229067A指出，激波管等离子体是通过激波压缩低压区被驱动段的气体产生的，在激波管试验中等离子体流场具有随机性与不均匀性。虽然每次试验的激波管初始条件相同，但是每次试验中耦合随机性不均匀性的等离子体流场是不相同的，导致现有的测试方法无法保证每次试验的等离子体状态参数的试验条件一致性，使得测量实验结果除了存在不同低频电磁波频点的影响外，还存在每个时刻下不同等离子体电子密度、碰撞频率的影响，测量实验结果只能在时域中定性地比较每个频点下低频电磁波的峰值衰减和峰值相移。