[论文解读] An improved method to measure microwave induced impulsive forces with a torsion balance or weighing scale

Chris P. Duif|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 2被引用 2

一句话总结

本文提出了一种新颖的非接触式微波能量传输方法，利用可调谐耦合腔将微波能量传输至被测设备（如EmDrive）而无需直接电气连接。通过将微波源与力测量系统（扭力天平或称重传感器）解耦，该方法减少了热效应和电磁干扰，在最高15 W的功率下实现了超过75%的功率传输效率（−1.3 dB损耗）和可忽略的干扰力（<10−5 N），显著提升了异常推力实验的测量精度。

ABSTRACT

A novel method is presented for measuring impulsive forces generated by devices which are fed with medium power microwave signals. The forces are measured with a torsion balance or weighing scale, as usual, but the microwave signal is coupled directly to the device under test via a special coupling cavity instead of being generated on the measurement device. The method was verified at power levels up to 15 W, has a transmission of at least 75% (-1.3 dB attenuation) and is shown not to exert disturbing forces at this power level (vertical forces smaller then 10 micronewton). The application of this way of supplying microwave signals could significantly improve experiments which otherwise suffer from heat dissipation and Lorentz forces by components present on the force measurement device. A particular field of application, where previous research has failed to prove or disprove the existence of certain anomalous forces, is discussed.

研究动机与目标

• 解决测量微波诱导脉冲力时的实验不确定性，特别是EmDrive类实验中的问题。
• 消除被测设备内部微波组件和直流电流在力测量装置上引起的热耗散和洛伦兹力。
• 开发一种方法，实现对被测设备的精确、非接触式微波能量传输，同时保持高测量灵敏度。
• 通过最小化外部干扰源，实现对异常推力装置实验的更高可靠性与可重复性。

提出的方法

• 设计特殊的耦合腔作为可调谐微波带宽滤波器，通过非接触式可移动端板实现微波能量的无物理连接传输。
• 微波能量在外部生成，并通过非接触端板的磁耦合方式耦合进入测试腔体。
• 利用方向耦合器和电池供电的光学读出功率传感器监测正向和反射功率，以避免电气干扰。
• 若需要，使用水冷夹套管理耦合腔壁的热耗散。
• 耦合腔设计旨在最小化电磁辐射和外部干扰，使用微波吸收材料抑制杂散辐射。
• 该方法可在不需被测设备上配备无线控制系统或磁性元件的情况下，精确控制频率和功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不直接电气连接的情况下将微波能量传输至力测量装置，从而减少热效应和电磁干扰？
• RQ2 在最高15 W的功率水平下，耦合腔是否会对扭力天平或称重传感器引入可测量的干扰力？
• RQ3 该方法能否在实现高功率传输效率（>75%）的同时，最小化测量平台上的发热和洛伦兹力？
• RQ4 非接触式耦合方法在多大程度上提升了谐振微波腔中异常推力测量的可靠性和准确性？
• RQ5 该方法能否用于验证EmDrive声称的净推力是否成立，同时不违反动量守恒定律？

主要发现

• 耦合腔实现了≥75%的功率传输效率（−1.3 dB损耗），通过优化耦合环可进一步提升约0.5 dB。
• 被测装置上测得的干扰电磁力可忽略不计，在15 W输入功率下小于10−5 N。
• 与采用内置微波放大器的传统装置相比，力测量装置上的热耗散降低了1至2个数量级。
• 该方法成功将微波源与测量系统解耦，消除了直流电流引起的洛伦兹力，并使测量平台质量减轻了几公斤。
• 尽管存在微波泄漏，但在天平电子设备上未观察到显著的电磁干扰，表明其在实际应用中的鲁棒性。
• 系统在多种频率和功率水平下均表现出稳定运行，具有扩展至数百瓦及100 MHz至20 GHz频段的潜力。