CN105072076B - 一种确定微波部件多载波微放电最坏状态的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定微波部件多载波微放电最坏状态的方法，首先通过在待分析微波部件容易放电的敏感部位放置电子，将电子等效为等离子体，通过等离子体频率确定其等效介电常数，通过电磁仿真或者解析计算获得端口反射系数可检测变化量对应的电子密度；其次采用全局优化算法，以初始相位组合的向量为优化变量，获得不同相位组合多载波信号时电子数目随时间的变化曲线，采用相邻两个包络周期电子数目的相对值和单个包络周期内微放电电子密度为判据，获得每种相位的微放电阈值，通过全局优化算法的种群调整获得能够以最小单路功率激励微放电的相位组合，即多载波微放电最坏状态。

Description

一种确定微波部件多载波微放电最坏状态的方法

技术领域

本发明涉及一种确定微波部件多载波微放电最坏状态的方法，属于微波部件微放电领域。

背景技术

目前大多数卫星都工作在多载波模式，通信卫星收发系统双工器的滤波器是信号传输的公共通道，并且处于高谐振状态，存在多载波信号激励下微放电的分析与设计问题。

多载波微放电分析不同于单载波情形最重要的区别在于，激励信号的幅度是随着初始相位的不同随时间快速变化的。空间微波部件多载波微放电分析需要确定能够以最小单路功率激励微放电的初始相位分布，即多载波微放电最坏状态。为了确定最坏状态需要获得多载波信号条件下电子数目随时间的波动曲线，同时需要基于电子数目来判断放电，通过全局优化算法获得最坏状态。

但目前在进行多载波微放电判断时只采用了相邻两个包络周期间电子数目的相对变化来进行判断，而忽略了绝对电子数目对应的电子密度对射频信号反射特性的影响。因此需要同时考虑包络周期间累积放电和包络周期内放电两种放电形式来进行最坏状态的分析。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种确定微波部件多载波微放电最坏状态的方法，能够在同时考虑包络周期间累积放电和包络周期内放电时确定多载波微放电最坏状态。

本发明的技术解决方案是：一种确定微波部件多载波微放电最坏状态的方法，步骤如下：(1)令多载波合成信号为其中f_i为载波频率，为载波相位，V_i为载波幅值，n为载波路数；t为仿真时间，0≤t≤T_s；T_s＝M*T为预设的仿真时长，T是合成信号的包络周期，为相邻载波频率间隔最小值的倒数，M为调整系数；同时确定部件表面的二次电子发射特性；

(2)对待分析的微波部件，记最容易发生微放电的敏感部位体积为Volum立方毫米，敏感部位在电磁波传播方向长度为LL毫米，在敏感部位放置均匀分布的电子，电子数目的总数为Num，电子密度记为N_s＝Num/Volum，等效介电常数为ε_eff(ω)，ω为角频率，确定随电子数目变化而变化的部件入射端口反射系数R(ω)，记入射端口反射系数变化ΔR(ω)dB时对应的电子密度为N_s0；

(3)采用全局优化算法，以相位构成的向量为优化变量，其中相位满足：获取多载波微放电最坏状态，具体如下：

(3.1)初始化全局最大可能阈值Vth，初始化最坏状态相位 根据优化算法随机初始化种群N为整数，对种群中每一个向量ii执行(3.2)到(3.6)，获得其对应的放电阈值{Vph}_N，ii＝1…N，所有向量执行完毕后转入步骤(3.7)；

(3.2)初始化幅度Vph；

(3.3)给每路的幅度赋值V₁＝V₂＝…＝V_n＝Vph，确定多载波合成信号；

(3.4)根据步骤(1)确定的微波部件表面二次电子发射特性，计算获得多载波信号V(t)激励时，T_s时间内电子数目曲线P(t)；

(3.5)获得每个包络周期T内的电子数目最大值Pmax(jj)和最小值Pmin(jj)，即Pmax(jj)＝max{P(t)}|_{(jj-1)*T<t<jj*T}，Pmin(jj)＝min{P(t)}|_{(jj-1)*T<t<jj*T}，jj＝1…M；

(3.6)判断是否放电：如果Pmax(3)>Pmax(2)或者Pmax(3)>N_s0*Volum，则该相位组合的微放电阈值为Vph，{Vph}_ii＝Vph；否则令Vph＝Vph+Vh，Vh为迭代幅度步长，执行第(3.3)步；

(3.7)如果min{Vph}_N<Vth,则Vth＝min{Vph}_N, k满足{Vph}_k＝min{Vph}_N，转步骤(3.8)，否则直接转步骤(3.8)

(3.8)由全局优化算法判断Vth是否为全局最小值，如果是，优化结束，执行第(4)步；如果否，根据优化算法调整种群对种群中每一个向量ii执行(3.2)到(3.6)，所有向量执行完毕后转入步骤(3.7)；

(4)输出为最坏状态。

所述步骤(2)中等效介电常数ε_eff(ω)为

其中为等离子体频率，其中N_s为电子密度，e和m_e是电子的电量和质量，ε₀为真空中的介电常数，τ＝-μ_em_e/e是电子的散射时间，μ_e是等离子体中电子的迁移率。

所述步骤(2)中反射系数R(ω)满足

其中为电子填充区域的相位,区域1代表真空区域，区域2代表二次电子填充构成的等离子体区域，为区域1到区域2的反射系数,为区域2到区域1的反射系数,为区域1到区域2的传输系数,为区域2到区域1的传输系数，为真空中的特性阻抗，为二次电子填充区域的特性阻抗，μ₀为真空中的磁导率，ε₀为真空中的介电常数。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

本发明提供了一种确定多载波微放电最坏状态的方法，该方法以多载波信号条件下电子数目的演化曲线为基础，同时考虑了包络周期间累积放电和包络周期内放电，能够确定多载波微放电最坏状态，为多载波微波部件微放电分析及实验验证提供了有效手段。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明实施例中的仿真对象示意图；

图3为本发明实施例中等效等离子体引起的反射系数变化示意图；

图4为本发明实施例中电子密度与反射系数关系图。

图5为本发明实施例中确定的最坏状态对应的时域合成波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的阐述。

如图1所示为本发明的流程图，由图1可知，本发明提供的一种确定多载波微放电最坏状态的方法，主要步骤如下：

(1)令多载波合成信号为其中f₁，f₂，…，f_n为载波频率，为载波相位，V₁，V₂，…，V_n为载波幅值，n为载波路数；t为仿真时间，0≤t≤T_s；T_s＝M*T为预设的仿真时长，T是合成信号的包络周期，为相邻载波频率间隔最小值的倒数，M为调整系数，一般取4；同时确定部件表面的二次电子发射特性，设定部件表面的二次电子发射特性，采用Vaughan模型设定部件表面的二次电子发射特性；对于银而言二次电子发射特性设定四个值：E₁＝30eV，E_max＝165eV，E₂＝5000eV，δ_max＝2.22；其中E₁为二次电子发射系数等于1对应的低端能量值，E_max为最大电子发射系数对应的能量值，E₂为二次电子发射系数等于1对应的上端能量值，δ_max为最大电子发射系数；

(2)对待分析的微波部件，记最容易发生微放电的敏感部位体积为Volum立方毫米，敏感部位在电磁波传播方向长度为LL毫米，在敏感部位放置均匀分布的电子，电子数目的总数为Num，电子密度记为N_s＝Num/Volum，等效介电常数为ε_eff(ω)，ω为角频率，采用CST软件或者HFSS软件或者解析计算获得对应的部件入射端口反射系数R(ω)(随着电子数目的变化，部件入射端口反射系数逐渐变化)，记反射端口反射系数变化ΔR(ω)dB时对应的电子密度，记为N_s0。

(3)采用全局优化算法，以相位构成的向量为优化变量，其中相位满足：i＝1...n，获取多载波微放电最坏状态，具体如下：

(3.1)初始化全局最大可能阈值Vth＝1000000V，初始化最坏状态相位根据优化算法随机初始化种群N一般取50，对种群中每一个向量ii执行(3.2)到(3.6)，获得其对应的放电阈值{Vph}_N，ii＝1…N，所有向量执行完毕后转入步骤(3.7)；

(3.2)初始化幅度Vph＝1V

(3.3)给每路的幅度赋值V1＝V2＝…＝Vn＝Vph，多载波合成信号为

(3.4)根据步骤(1)确定的微波部件表面二次电子发射特性，采用FEST3D或CST或专利“一种确定多载波微放电二次电子数目的方法”(受理号：201210253839.7)提出的方法，初始电子数目为P₀，计算获得多载波信号V(t)激励时，T_s时间内电子数目曲线P(t)

(3.5)获得每个包络周期T内的电子数目最大值Pmax(jj)和最小值Pmin(jj)，即Pmax(jj)＝max{P(t)}|_{(jj-1)*T<t<jj*T}，Pmin(jj)＝min{P(t)}|_{(jj-1)*T<t<jj*T}，jj＝1…M；

(3.6)判断是否放电：如果Pmax(3)>Pmax(2)或者Pmax(3)>N_s0*Volum，则该相位组合的微放电阈值为Vph，{Vph}_ii＝Vph；否则令Vph＝Vph+Vh，Vh为迭代幅度步长(例如取0.1V)，执行第(3.3)步；

(3.7)如果min{Vph}_N<Vth,则Vth＝min{Vph}_N, k满足{Vph}_k＝min{Vph}_N，转步骤(3.8)，否则直接转步骤(3.8)

(3.8)由全局优化算法判断Vth是否为全局最小值，如果是，优化结束，执行第(4)步；如果否，根据优化算法调整种群对种群中每一个向量ii执行(3.2)到(3.6)，所有向量执行完毕后转入步骤(3.7)；

(4)输出为最坏状态。

实施例

(1)如图2所示为本发明实施例中的仿真对象示意图，针对同轴传输线，采用n＝6载波进行实施，6路载波频率分别为f₁＝0.32GHz，f₂＝0.33GHz，f₃＝0.34GHz，f₄＝0.35GHz，f₅＝0.36GHz和f₆＝0.37GHz，T＝10ns，M＝4。部件表面为银；

(2)最容易发生微放电的敏感部位体积为Volum＝π*(13.27²-5.77²)*LL立方毫米，电场波传播方向为z方向，在z方向的长度为LL＝1mm，等效介电常数ε_eff(ω)为

其中基于图3所示的等效模型，反射系数R(ω)满足

其中和反射系数与电子密度之间的关系如图4所示，可以看出当反射系数变化-70dB时，电子密度为N_s0＝10⁸量级。

(3)采用全局优化算法，以相位构成的向量为优化变量，其中相位满足：i＝1...n，获取多载波微放电最坏状态，具体如下：

(3.1)初始化Vth＝1000000V，根据优化算法随机初始化种群N一般取50，对种群中每一个向量执行3.2到3.6，获得其对应的放电阈值{Vph}_N，ii＝1…N，所有向量执行完毕后转入步骤(3.7)：

(3.2)初始化幅度Vph＝1V

(3.3)给每路的幅度赋值V1＝V2＝…＝Vn＝Vph，多载波合成信号为

(3.4)根据步骤(1)确定的微波部件表面二次电子发射特性，采用FEST3D或CST或专利“一种确定多载波微放电二次电子数目的方法”(受理号：201210253839.7)提出的方法，初始电子数目为P₀，计算获得多载波信号V(t)激励时，T_s时间内电子数目曲线P(t)

(3.5)获得每个包络周期T内的电子数目最大值Pmax(jj)和最小值Pmin(jj)，即Pmax(jj)＝max{P(t)}|_{(jj-1)*T<t<jj*T}，Pmin(jj)＝min{P(t)}|_{(jj-1)*T<t<jj*T}，jj＝1…M；

(3.6)判断是否放电：如果Pmax(3)>Pmax(2)或者Pmax(3)>N_s0*π*(13.27²-5.77²)*LL，则该相位组合的微放电阈值为Vph，{Vph}_ii＝Vph；否则令Vph＝Vph+Vh，Vh为迭代幅度步长(例如取0.1V)，执行第(3.3)步；

(3.7)如果min{Vph}_N<Vth,则Vth＝min{Vph}_N, k满足{Vph}_k＝min{Vph}_N，转步骤(3.8)，否则直接转步骤(3.8)

(3.8)由全局优化算法判断Vth是否为全局最小值，如果是，优化结束，执行第(4)步；如果否，根据优化算法调整种群对种群中每一个向量ii执行(3.2)到(3.6)，所有向量执行完毕后转入步骤(3.7)；

(4)输出为最坏状态，其时域合成波形如图5所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种确定微波部件多载波微放电最坏状态的方法，其中，最坏状态为能够以最小单路功率激励微放电的初始相位分布；其特征在于步骤如下：

(1)令多载波合成信号为其中f_i为载波频率，为载波相位，V_i为载波幅值，n为载波路数；t为仿真时间，0≤t≤T_s；T_s＝M*T为预设的仿真时长，T是合成信号的包络周期，为相邻载波频率间隔最小值的倒数，M为调整系数；同时确定部件表面的二次电子发射特性；

(2)对待分析的微波部件，记最容易发生微放电的敏感部位体积为Volum立方毫米，敏感部位在电磁波传播方向长度为LL毫米，在敏感部位放置均匀分布的电子，电子数目的总数为Num，电子密度记为N_s＝Num/Volum，等效介电常数为ε_eff(ω)，ω为角频率，确定随电子数目变化而变化的部件入射端口反射系数R(ω)，记入射端口反射系数变化ΔR(ω)dB时对应的电子密度为N_s0；

(3)采用全局优化算法，以相位构成的向量为优化变量，其中相位满足：获取多载波微放电最坏状态，具体如下：

(3.1)初始化全局最大可能阈值Vth，初始化最坏状态相位 根据优化算法随机初始化种群N为整数，对种群中每一个向量ii执行(3.2)到(3.6)，获得其对应的放电阈值{Vph}_N，ii＝1…N，所有向量执行完毕后转入步骤(3.7)；

(3.2)初始化幅度Vph；

(3.3)给每路的幅度赋值V₁＝V₂＝…＝V_n＝Vph，确定多载波合成信号；

(3.4)根据步骤(1)确定的微波部件表面二次电子发射特性，计算获得多载波信号V(t)激励时，T_s时间内电子数目曲线P(t)；

(3.5)获得每个包络周期T内的电子数目最大值Pmax(jj)和最小值Pmin(jj)，即Pmax(jj)＝max{P(t)}|_{(jj-1)*T<t<jj*T}，Pmin(jj)＝min{P(t)}|_{(jj-1)*T<t<jj*T}，jj＝1…M；

(3.6)判断是否放电：如果Pmax(3)>Pmax(2)或者Pmax(3)>N_s0*Volum，则该相位组合的微放电阈值为Vph，{Vph}_ii＝Vph；否则令Vph＝Vph+Vh，Vh为迭代幅度步长，执行第(3.3)步；

(3.7)如果min{Vph}_N<Vth,则Vth＝min{Vph}_N, k满足{Vph}_k＝min{Vph}_N，转步骤(3.8)，否则直接转步骤(3.8)

(3.8)由全局优化算法判断Vth是否为全局最小值，如果是，优化结束，执行第(4)步；如果否，根据优化算法调整种群对种群中每一个向量ii执行(3.2)到(3.6)，所有向量执行完毕后转入步骤(3.7)；

(4)输出为最坏状态；

所述步骤(2)中等效介电常数ε_eff(ω)为

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其中为等离子体频率，其中N_s为电子密度，e和m_e是电子的电量和质量，ε₀为真空中的介电常数，τ＝-μ_em_e/e是电子的散射时间，μ_e是等离子体中电子的迁移率；

所述步骤(2)中反射系数R(ω)满足

其中为电子填充区域的相位,区域1代表真空区域，区域2代表二次电子填充构成的等离子体区域，为区域1到区域2的反射系数,为区域2到区域1的反射系数,为区域1到区域2的传输系数,为区域2到区域1的传输系数，为真空中的特性阻抗，为二次电子填充区域的特性阻抗，μ₀为真空中的磁导率，ε₀为真空中的介电常数。