CN105070977A - 一种提高同轴型传输线微放电阈值的结构 - Google Patents

Abstract

一种提高同轴型传输线微放电阈值的结构，在同轴型传输线外导体的内侧设置多个矩形沟槽，每个矩形沟槽沿外导体的横截面设置，多个矩形沟槽沿同轴型传输线外导体轴向平行排列，多个矩形沟槽形成多个电磁场畸变区域，在该区域内，电场呈现弯曲形状，且不均匀分布，使得带电粒子在该区域内的受力与常规同轴型传输线不同，在这种电场的作用下，带电粒子由内导体加速向外导体运动，当其运动到电磁场畸变区域时，带电粒子运动轨迹会发生变化，部分带电粒子不会垂直撞击外导体，这些带电粒子在内导体与外导体之间不会形成周期性震荡，从而降低了二次电子激发的概率，能够提高同轴型传输线的微放电阈值。

Description

一种提高同轴型传输线微放电阈值的结构

技术领域

本发明涉及一种提高同轴型传输线微放电阈值的结构，属于同轴型传输线微放电技术领域。

背景技术

同轴微波开关是卫星有效载荷的关键部件，其主要功能是对射频通道进行切换，将固定数量的硬件通过开关进行环备份，实现更多的连接状态，当部分硬件发生故障时，通过微波开关工作状态的切换，将系统中备份硬件替代故障硬件。针对卫星转发器系统中的接收机、高功率放大器等高失效率的产品使用微波开关进行备份将大幅提升系统的可靠性。

随着近年来通信、导航卫星对射频部件功率容量要求的不断提升，对同轴微波开关功率容量的要求也显著提高，这就带来了如何提高同轴微波开关微放电阈值这个关键问题。

微波开关内部有复杂的传动机构，某一模块设计的变化将给其他模块带来影响，所以对其中某一模块设计进行更改时，如何降低给其他模块带来的影响也是一个关键问题。当进行提高微放电阈值的设计时，如何能降低对同轴微波开关中其他模块的影响也是设计时需要考虑的重要问题。

同轴微波开关射频传输通道为方同轴传输线，提高同轴微波开关微放电阈值本质上就是提高方同轴传输线的微放电阈值，近年来，国内外对真空微放电现象的研究有了一定进展，但研究对象都集中在金属的表面处理方式和波导型传输线微放电阈值的研究，涉及到同轴型传输线的还未见报道。

同轴微波开关射频传输通道示意图如图4所示，InputPort为输入端口，OutputPort为输出端口，InnerConductor为内导体，OutterConductor为外导体，常规设计的同轴微波开关射频传输通道横截面示意图如图5所示，在同轴微波开关进行工作状态切换时，d为内导体运动行程，该行程直接关系到驱动机构的设计。常规设计中在进行提高微放电阈值的设计时需要增大内外导体之间的间隙d，但由于d的变化会同时给驱动机构设计提出新的要求，要求同轴微波开关更改驱动机构设计，设计复杂，降低了同轴微波开关的设计效率。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种提高同轴型传输线微放电阈值的结构，利用同轴型传输线的电磁场特性，在同轴型传输线外导体设置电磁场畸变区域，在该区域内，电场呈现弯曲形状，且不均匀分布，使得带电粒子在该区域内的受力与常规同轴传输线不同，这种结构使得原电子和次级电子在该区域内不能形成周期性震荡，从而降低了二次电子激发的概率，能够有效的提高同轴传输线的微放电阈值。

本发明解决的技术方案为：一种提高同轴型传输线微放电阈值的结构，包括外导体、内导体，内导体位于外导体内部，外导体和内导体不能接触，外导体和内导体形成中空腔体，外导体、内导体和中空腔体组成射频传输通道，该射频传输通道的特性阻抗根据需要进行设定，射频传输通道的一端为输入端口，射频传输通道的另一端为输出端口，在同轴型传输线外导体的内侧设置多个矩形沟槽，每个矩形沟槽沿外导体的横截面设置，多个矩形沟槽沿同轴型传输线外导体轴向平行均匀排列，该多个矩形沟槽形成多个电磁场畸变区域，每两个矩形沟槽之间形成一个齿；设d为外导体内表面与内导体外表面之间的间隙，a为两个矩形沟槽之间形成的矩形齿的顶部宽度，t为矩形沟槽底部宽度，h为矩形沟槽深度；

在同轴型传输线外导体的电磁场畸变区域中，电场呈现弯曲，且不均匀分布，使得带电粒子在该电磁场畸变区域内的受力不同，使得原电子和次级电子在该电磁场畸变区域内不能形成周期性震荡；

真空环境中，在电场作用下，带电粒子由内导体加速向外导体运动，当带电粒子运动到电磁场畸变区域时，部分带电粒子不垂直撞击外导体，这些不垂直撞击外导体的带电粒子在内导体与外导体之间不形成周期性震荡，从而降低了二次电子激发的概率，能够提高同轴型传输线的微放电阈值。

所述内导体和外导体均为圆柱体，a/t的值小于等于1且h大于0.3mm。

所述内导体和外导体均为截面为长方体，a/t的值小于等于1.25且h大于0.2mm。

所述多个矩形齿的顶部两个顶角设置有倒角，倒角半径大于0.2mm。

所述外导体的厚度与矩形沟槽深度h之差大于趋肤深度，趋肤深度δ，公式如下：

δ＝1/(πfμσ)1/2

式中，f为同轴型传输线工作频率，μ为外导体的磁导率，σ为外导体的电导率。

所述该射频传输通道的特性阻抗设定为50欧姆或75欧姆。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用同轴型传输线的电磁场特性，在同轴型传输线外导体设置电磁场畸变区域，在该区域内，电场呈现弯曲形状，且不均匀分布，使得带电粒子在该区域内的受力与常规同轴传输线不同，这种结构使得原电子和次级电子在该区域内不能形成周期性震荡，从而降低了二次电子激发的概率，在不增加现有同轴传输线尺寸的情况下，能够有效的提高同轴传输线的微放电阈值。

(2)现有技术中，在导体表面通过图形光刻工艺实现的规则阵列结构可以提高微放电阈值，与该技术相比，本发明所述结构全部可由机械加工工艺完成，结构简单，易加工，可实现性强。

(3)将本发明所述结构应用在微波开关射频传输通道时，本发明所述结构在提高同轴微波开关微放电阈值的同时，不影响微波开关其他模块，微波开关的重量、尺寸、外形、抗力学性能等机械性能不发生变化，克服了现有技术中只能通过增大内导体与外导体之间的间隙来实现提高微放电阈值的难题，目前我国在研卫星型号功率容量不断提升，在星载产品小型化、轻量化要求日益提高的今天，在不改变产品外形、不增加重量、不影响产品抗力学性能的前提下，能够提高产品微放电阈值，在卫星导航、通信、遥感领域有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明电磁场畸变区域电场示意图；

图2为本发明所述圆同轴传输线结构；

图3为本发明所述方同轴传输线结构；

图4为现有技术同轴微波开关射频传输通道示意图；

图5为现有技术同轴微波开关射频传输通道横截面示意图；

图6为应用本发明所述结构的同轴微波开关射频传输通道横截面示意图；

图7为本发明所述齿顶部带倒角的传输线结构图。

具体实施方式

本发明的基本思路为：提供一种提高同轴型传输线微放电阈值的结构，针对，利用同轴型传输线的电磁场特性，在同轴型传输线外导体设置电磁场畸变区域，在该区域内，电场呈现弯曲形状，且不均匀分布，使得带电粒子在该区域内的受力与常规同轴传输线不同，这种结构使得原电子和次级电子在该区域内不能形成周期性震荡，降低了二次电子激发的概率，能够有效的提高同轴传输线的微放电阈值，电磁场畸变区域电场示意图，如图1所示。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

本发明一种提高同轴型传输线微放电阈值的结构，包括外导体、内导体，外导体和内导体的中心轴相同，外导体和内导体形成中空腔体，即射频传输通道，射频传输通道的一端为输入端口，射频传输通道的另一端为输出端口，在同轴型传输线外导体的内侧设置多个矩形沟槽，每个矩形沟槽沿外导体的横截面设置，多个矩形沟槽沿同轴型传输线外导体轴向平行均匀排列，该多个矩形沟槽形成多个电磁场畸变区域，每两个矩形沟槽之间形成一个齿；如图6所示，设d为外导体内表面与内导体外表面之间的间隙，a为两个矩形沟槽之间形成的齿的顶部宽度，t为矩形沟槽底部宽度，h为矩形沟槽深度，如图3所示，真空环境中，在电场作用下，带电粒子由内导体加速向外导体运动，当带电粒子运动到电磁场畸变区域时，部分带电粒子不垂直撞击外导体，这些不垂直撞击外导体的带电粒子在内导体与外导体之间不形成周期性震荡，降低了二次电子激发的概率，能够提高同轴型传输线的微放电阈值；对于本发明所述结构，a/t的比值越小则微放电阈值越高，h越大则微放电阈值越高。

所述内导体和外导体既可以均为圆柱体，圆同轴传输线横截面示意图如图2所示；所述内导体和外导体又可以均为截面为正方体的长方体，方同轴横截面示意图如图3所示；

实际应用中，星载同轴微波开关射频传输通道为方同轴传输线，由于本发明所述结构内导体与外导体之间的间隙d可以不发生变化，所以将其应用到星载同轴微波开关射频传输通道中，不但可以提高同轴微波开关的微放电阈值，而且不影响同轴微波开关内部其他模块，使驱动机构的设计(包括位置、尺寸)可维持原有设计，能够把对其他模块的影响降到最小。

由于星载产品小型化、轻量化要求日益提高，在不改变产品外形、不增加重量、不影响产品抗力学性能的前提下，本发明能够提高产品微放电阈值，具有重要意义。

下面通过具体实施例详细说明。

对上述本发明的结构进行微放电阈值测试，依据本发明所述结构，将一款同轴大功率单刀双掷微波开关的射频通道进行了改进，其中改进前是没有矩形沟槽的，d为1.05mm，改进后(即本发明加入矩形沟槽的方案)，d保持不变，沟槽顶部宽度a为1mm，沟槽底部宽度t为1mm，沟槽深度h为0.7mm。改进前进行微放电试验试验，测试结果为：工作在L频段微放电阈值为45W；改进后进行微放电试验，测试结果为：工作在L频段脉冲功率加至120W未放生微放电现象，由试验结果可以看出，改进后该同轴大功率单刀双掷微波开关的微放电阈值至少提高了4.2dB。

下面应用本发明所述结构，如图6所示，进一步分别针对参数a、t、h对微放电阈值的影响进行仿真分析。

圆同轴传输线微放电阈值仿真数据见下表。

通过上述仿真、试验数据，得到优选的方案：a/t的值小于1时，随着a/t的值的减小同轴传输线的微放电阈值提高的速率越快，h的值大于0.3mm时随着h的值的增大同轴传输线的微放电阈值提高的速率越快，所以内导体和外导体均为圆柱体，a/t的值小于等于1且h大于0.3mm为优选的方案，进一步提高了同轴传输线的微放电阈值的速率。

方同轴传输线微放电阈值仿真数据见下表。

通过上述仿真、试验数据，得到优选的方案：a/t的值小于1.25时，随着a/t的值的减小同轴传输线的微放电阈值提高的速率越快，h的值大于0.2mm时随着h的值的增大同轴传输线的微放电阈值提高的速率越快，所以内导体和外导体均为截面为长方体，a/t的值小于等于1.25且h大于0.2mm为优选的方案，进一步提高了同轴传输线的微放电阈值的速率。

下面应用本发明所述结构，如图7所示，进一步针对在矩形齿顶部设置顶角的倒角尺寸的变化，对微放电阈值的影响进行仿真分析，仿真数据见下表。

通过上述仿真、试验数据，得到优选的方案：倒角半径R的值大于0.2时，随着R的值的增大同轴传输线的微放电阈值提高的速率越快,倒角半径R的值大于0.2时，为优选的方案。

综上，本发明所述结构能够有效提高同轴型传输线微放电阈值，同时传输线的其他性能指标不会恶化，并且该结构简单、易加工，完全可由机械加工方式完成，应用到微波开关设计中符合模块化设计思想，能够大大的提高大功率同轴微波开关微放电阈值，并且可以推广至其他类型、频率的同轴型传输线产品，如微波开关、混合桥、阻抗变换器等产品。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (4)

1.一种提高同轴型传输线微放电阈值的结构，其特征在于：包括外导体、内导体，内导体位于外导体内部，外导体和内导体不能接触，外导体和内导体形成中空腔体，外导体、内导体和中空腔体组成射频传输通道，该射频传输通道的特性阻抗根据需要进行设定，射频传输通道的一端为输入端口，射频传输通道的另一端为输出端口，在同轴型传输线外导体的内侧设置多个矩形沟槽，每个矩形沟槽沿外导体的横截面设置，多个矩形沟槽沿同轴型传输线外导体轴向平行均匀排列，该多个矩形沟槽形成多个电磁场畸变区域，每两个矩形沟槽之间形成一个齿；设d为外导体内表面与内导体外表面之间的间隙，a为两个矩形沟槽之间形成的矩形齿的顶部宽度，t为矩形沟槽底部宽度，h为矩形沟槽深度；

在同轴型传输线外导体的电磁场畸变区域中，电场呈现弯曲，且不均匀分布，使得带电粒子在该电磁场畸变区域内的受力不同，使得原电子和次级电子在该电磁场畸变区域内不能形成周期性震荡；

真空环境中，在电场作用下，带电粒子由内导体加速向外导体运动，当带电粒子运动到电磁场畸变区域时，部分带电粒子不垂直撞击外导体，这些不垂直撞击外导体的带电粒子在内导体与外导体之间不形成周期性震荡，从而降低了二次电子激发的概率，能够提高同轴型传输线的微放电阈值。

2.根据权利要求1所述的一种提高同轴型传输线微放电阈值的结构，其特征在于：所述多个矩形齿的顶部两个顶角设置有倒角，倒角半径大于0.2mm。

3.根据权利要求1所述的一种提高同轴型传输线微放电阈值的结构，其特征在于：所述外导体的厚度与矩形沟槽深度h之差大于趋肤深度，趋肤深度δ，公式如下：

δ＝1/(πfμσ)1/2

式中，f为同轴型传输线工作频率，μ为外导体的磁导率，σ为外导体的电导率。

4.根据权利要求1所述的一种提高同轴型传输线微放电阈值的结构，其特征在于：所述该射频传输通道的特性阻抗设定为50欧姆或75欧姆。