CN112505437A - 一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法 - Google Patents

一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112505437A
CN112505437A CN202011341678.8A CN202011341678A CN112505437A CN 112505437 A CN112505437 A CN 112505437A CN 202011341678 A CN202011341678 A CN 202011341678A CN 112505437 A CN112505437 A CN 112505437A
Authority
CN
China
Prior art keywords
double
micro
discharge
microwave component
model
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011341678.8A
Other languages
English (en)
Inventor
张雪
倪鑫荣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xiangtan University
Original Assignee
Xiangtan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xiangtan University filed Critical Xiangtan University
Priority to CN202011341678.8A priority Critical patent/CN112505437A/zh
Publication of CN112505437A publication Critical patent/CN112505437A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/12—Measuring electrostatic fields or voltage-potential

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Testing Relating To Insulation (AREA)

Abstract

本发明基于Matlab软件建立了一个双面介质加载微波部件的模型，采用傅里叶变换方法及数值分析方法求解双面介质加载微波部件中静电场的分布，通过建立Monte Carlo模型来模拟微放电过程，并以此深入研究双面介质加载微波部件的微放电机制。本发明为降低微波部件击穿风险、进一步提高大功率卫星载荷部件的传输功率和工作稳定性提供理论指导和实验基础，具有重要的学术价值和现实意义。

Description

一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法
技术领域
本发明涉及一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法，属于大功率微波部件微放电领域。
背景技术
在卫星通信系统中，介质加载微波部件的微放电现象严重影响大功率载荷的工作稳定性。空间介质微波部件多为双面介质加载结构，双介质层表面电荷积聚产生的静电场增加了微放电过程的复杂性。
在宇航器部件研究领域，卫星系统大功率组件的二次电子倍增效应又称为微放电效应，微放电会直接影响卫星使用的成败。例如，卫星载荷系统传输线(如矩形波导、圆波导、同轴波导等)、滤波器、定向耦合器等部件内的微放电会导致功率组件驻波比增大，系统噪声增加，从而引起信号无源交调；材料表面释放的气体会诱发较强气体电离击穿，最终导致部件永久性失效，严重影响真空系统工作的稳定性。
大功率介质加载微波部件(如环流器、隔离器等)具有高Q值、低损耗、易小型化等优点，因此在空间微波系统中的使用比例逐渐增多。然而，在介质加载的微波部件中，介质表面的微放电会导致部件性能降低，甚至使功能失效。
本发明采用傅里叶变换方法及数值分析方法求解双面介质加载微波部件中静电场的分布，通过建立Monte Carlo模型来模拟微放电过程，并以此深入研究双面介质加载微波部件的微放电机制。本发明为降低微波部件击穿风险、进一步提高大功率卫星载荷部件的传输功率和工作稳定性提供理论指导和实验基础，具有重要的学术价值和现实意义。
发明内容
本发明的技术解决问题是：在现有技术的基础上，提供了一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法，考虑了每个时间步下由两个介质面电荷积累形成的静电场的作用，介质表面的电荷非均匀分布，所形成的静电场同样非均匀分布，然后建立Monte Carlo模型来模拟微放电过程，并以此深入研究双面介质加载微波部件的微放电机制。
本发明的技术解决方案是：一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法，步骤如下：
步骤一：本发明是基于Matlab软件进行的仿真，在模拟微放电之前，利用Matlab软件建立物理模型，设置边界条件；
步骤二：在模型中设置一个余弦变化的射频电场，对射频电场设置不同的数值对应微放电不同的阶数；
步骤三：在前1000个时间步内，每个时间步分别从两个介质表面的随机位置添加1个初始电子，初始电子的能量服从麦克斯韦-波尔茨曼分布，初始电子的发射角度满足正弦分布；
步骤四：初始电子在射频电场的作用下与两个介质面发生碰撞，从介质表面激发出新的二次电子并在介质表面积累相应的电荷，这些电荷会形成一个静电场影响电子的运动，静电场通过数值的方法进行求解；
步骤五：在射频电场和静电场的共同作用下，微放电达到饱和。
其中步骤四通过下述方法实现：
(Ⅰ)将介质表面划分为长度相等的100个网格，每个网格对应一个位置尺寸(例如网格0.01mm～0.02mm的位置尺寸为0.02mm)，电子与介质面发生碰撞并在对应的网格内积累相应的电荷；
(Ⅱ)将两个极板间的间隔划分为长度相等的100个网格，每个网格对应一个位置尺寸；(Ⅲ)当统计每个网格内积累的电荷数目后，利用格林函数和傅里叶变换的方法对空间任意位置的电势进行求解，
Figure BDA0002798515170000021
其中Qi是每个网格内积累电荷的数目；
(Ⅳ)当求解出电势后，可以求解出静电场为
Figure BDA0002798515170000022
(Ⅴ)利用二次样条插值的方法得到模型中任意位置电子所受到的静电场。
附图说明
图1为双面介质加载微波部件的模型图
图2为介质表面均匀分布电荷时，静电场在模型中的分布图
图3为电子数目随时间变化图
图4为电子数目达到饱和时，电子在模型中的分布图
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阐述。
图1为双面介质加载微波部件的模型图，其中介质层的厚度为0.05mm，介质层的材料为铁氧体。
模型搭建好之后，在介质表面均匀分布电荷，测试静电场在模型中的分布情况，图2为介质表面均匀分布电荷时，静电场在模型中的分布图。
本发明所提供的一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法，主要步骤如下：
步骤一：在测试模型无误后，在模型中沿着介质表面设置一个垂直入射余弦变化的射频电场，其表达式为
Figure BDA0002798515170000031
步骤二：在前1000个时间步内，每个时间步分别从两个介质表面的随机位置添加1个初始电子，到1000个时间步时停止初始电子的添加；
步骤三：初始电子的能量服从麦克斯韦-波尔茨曼分布，其概率密度函数：
Figure BDA0002798515170000032
Figure BDA0002798515170000033
初始电子的发射角度φ服从正弦分布，其概率密度函数为
Figure BDA0002798515170000034
(0＜φ＜π)；
步骤四：初始电子在射频电场的作用下与介质表面发生碰撞，从介质表面激发出新的二次电子并在介质表面积累相应的电荷，这些电荷会形成一个静电场影响电子的运动，静电场通过数值的方法进行求解；
步骤五：将介质表面划分为长度相等的100个网格，每个网格对应一个位置尺寸(例如网格0.01mm～0.02mm的位置尺寸为0.02mm)，电子与介质面发生碰撞并在对应的网格内积累相应的电荷；
步骤六：将两个极板间的间隔划分为长度相等的100个网格，每个网格对应一个位置尺寸；
步骤七：当统计每个网格内积累的电荷数目后，利用格林函数和傅里叶变换的方法对空间任意位置的电势进行求解，
Figure BDA0002798515170000035
其中Qi是每个网格内积累的正电荷的数目；
步骤八：当求解出电势后，可以求解出静电场为
Figure BDA0002798515170000036
步骤九：利用二次样条插值的方法得到模型中任意位置电子所受到的静电场；
步骤十：在射频电场和静电场的共同作用下，微放电达到饱和，电子数目随时间的变化如图3所示，达到饱和时电子在模型中的分布如图4所示。

Claims (6)

1.一种双面介质加载微波部件模型的建立，其特征在于：微波部件的上下两个极板表面加载了厚度为0.05mm的介质层，介质层的材料为铁氧体。
2.一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法，其特征在于采用傅里叶变换方法及数值分析方法求解双面介质加载微波部件中静电场的分布，通过建立Monte Carlo模型来模拟微放电过程，至少还包括以下步骤：
步骤一：在模型中沿着介质表面设置一个垂直入射余弦变化的射频电场，其表达式为
Figure FDA0002798515160000014
步骤二：在前1000个时间步内，每个时间步分别从两个介质表面的随机位置添加1个初始电子，当到达1000个时间步时停止初始电子的添加；
步骤三：初始电子的能量服从麦克斯韦-波尔茨曼分布，其概率密度函数为：
Figure FDA0002798515160000011
Figure FDA0002798515160000012
初始电子的发射角度φ服从正弦分布，其概率密度函数为
Figure FDA0002798515160000013
步骤四：利用Runge-Kutta方法对电子的运动方程进行求解，通过建立Monte Carlo模型来模拟微放电过程；
步骤五：通过电子的位置是否超出边界来判断电子是否与介质面发生碰撞，如果没有发生碰撞则继续进行，如果与介质面发生了碰撞，先判断此时电子的能量是否处于第一交叉点和第二交叉点之间，如果处于交叉点之间，则在与介质面碰撞的位置积累一个正电荷并激发出新的二次电子，如果不处于交叉点之间，则在与介质面碰撞的位置积累一个负电荷；
步骤六：介质表面积累的电荷会形成一个静电场，通过数值的方法对静电场进行求解；
步骤七：在射频电场和静电场的共同作用下，微放电达到饱和。
3.根据权利要求2所述的一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法，其特征在于步骤二中，采用了一种新的初始电子添加方法，其更加符合实际情况。
4.根据权利要求2所述的一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法，其特征在于步骤四中，利用Runge-Kutta方法对电子的运动方程进行求解，可以得到当前时间步下模型中每个电子的准确的速度和位置。
5.根据权利要求2所述的一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法，其特征在于步骤五中，将介质表面划分为长度相等的100个网格，每个网格对应一个位置尺寸(例如网格0.01mm～0.02mm的位置尺寸为0.02mm)，电子与介质面发生碰撞并在对应的网格内积累相应的电荷。
6.根据权利要求2所述的一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法，其特征在于步骤六中，通过数值的方法对静电场进行求解，采用格林函数和傅里叶变换的方法对模型中电势的分布进行求解，然后再求解出模型中静电场的分布。
CN202011341678.8A 2020-11-25 2020-11-25 一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法 Pending CN112505437A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011341678.8A CN112505437A (zh) 2020-11-25 2020-11-25 一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011341678.8A CN112505437A (zh) 2020-11-25 2020-11-25 一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112505437A true CN112505437A (zh) 2021-03-16

Family

ID=74966094

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011341678.8A Pending CN112505437A (zh) 2020-11-25 2020-11-25 一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112505437A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116266209A (zh) * 2022-11-28 2023-06-20 湘潭大学 一种双面介质加载平行板波导静电场的计算方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0164224A1 (en) * 1984-05-09 1985-12-11 BRITISH TELECOMMUNICATIONS public limited company Isolator for microwave electromagnetic radiation
JP2006351693A (ja) * 2005-06-14 2006-12-28 Yoshihiko Kondo 電磁波吸収板及び電磁波吸収体
CN105226350A (zh) * 2015-08-25 2016-01-06 西安电子工程研究所 一种基于非线性传输线的同轴高功率微波发生器
CN106129563A (zh) * 2016-07-08 2016-11-16 中国人民解放军空军工程大学 一种基于波导加载铁氧体的可调微波隔离器
CN111697296A (zh) * 2020-07-20 2020-09-22 成都锐明合升科技有限责任公司 一种强迫液冷非互易性微波器件

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0164224A1 (en) * 1984-05-09 1985-12-11 BRITISH TELECOMMUNICATIONS public limited company Isolator for microwave electromagnetic radiation
JP2006351693A (ja) * 2005-06-14 2006-12-28 Yoshihiko Kondo 電磁波吸収板及び電磁波吸収体
CN105226350A (zh) * 2015-08-25 2016-01-06 西安电子工程研究所 一种基于非线性传输线的同轴高功率微波发生器
CN106129563A (zh) * 2016-07-08 2016-11-16 中国人民解放军空军工程大学 一种基于波导加载铁氧体的可调微波隔离器
CN111697296A (zh) * 2020-07-20 2020-09-22 成都锐明合升科技有限责任公司 一种强迫液冷非互易性微波器件

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
陈晴等: ""磁电可调微波器件电调频带漂移模型"", 《杭州电子科技大学学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116266209A (zh) * 2022-11-28 2023-06-20 湘潭大学 一种双面介质加载平行板波导静电场的计算方法
CN116266209B (zh) * 2022-11-28 2024-03-01 湘潭大学 一种双面介质加载平行板波导静电场的计算方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102567780B (zh) 一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法
Carlsten Modal analysis and gain calculations for a sheet electron beam in a ridged waveguide slow-wave structure
CN112505437A (zh) 一种双面介质加载微波部件微放电研究的方法
CN105449329A (zh) 抑制星载高功率微波铁氧体环行器微放电的设计方法
Zhao et al. Researches on an $ X $-Band Sheet Beam Klystron
CN105069247A (zh) 一种基于时域有限差分的微波部件无源互调数值分析方法
CN102930100A (zh) 一种预测腔体滤波器微放电阈值的方法
Zhang et al. An analytical model of one-sided multipactor on a dielectric of a metal surface for spacecraft application
CN108767413B (zh) 基于激光烧蚀表面处理的大功率介质微波部件微放电抑制方法
CN113075478B (zh) 垂直极化emp辐射波模拟器辐射场的计算模型及其构建方法
Ren et al. Simulations of the multipactor effect in ferrite circulator junction with wedge-shaped cross section geometry
CN108521001B (zh) L波段微放电抑制星用高功率环行器
CN106450593B (zh) 一种高功率容量的栅格化介质透镜及其制作方法
CN102721707B (zh) 用于测量ltcc收缩率和介电常数的装置
Wu et al. Efficient enhanced hybrid implicit-explicit procedure to gyrotropic plasma in open regions with fine geometry details along single direction
Shen et al. Nonstationary statistical theory for single-surface dielectric multipactors
CN110569564B (zh) 一种穿舱法兰介质窗微放电阈值预测方法
Pingenot et al. Full wave analysis of RF signal attenuation in a lossy rough surface cave using a high order time domain vector finite element method
Langellotti Multipactor in coaxial transmission lines
US20220263210A1 (en) Waveguide filters
CN110543740B (zh) 一种基于矩形弯波导微放电研究的方法
KR101551642B1 (ko) 최적 단면적을 가지는 펄스 변압기 제작 방법
CN219226579U (zh) 一种基于氧化铝陶瓷的微带发夹型带通滤波器
CN201955313U (zh) 用于测量ltcc收缩率和介电常数的装置
CN104393372A (zh) 在横磁电磁场模式下抑制介质表面二次电子倍增的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20210316