一種確定同軸結構微放電閾值的方法

2023-05-10 18:22:11

專利名稱：一種確定同軸結構微放電閾值的方法
技術領域：
本發明涉及一種確定同軸結構微放電閾值的方法,適用於不發生微放電的同軸結構微波部件的設計及同軸結構微波部件微放電閾值的預測。
背景技術：
微放電效應也稱二次電子倍增效應，是指部件處於I X IO-3Pa或更低壓強時，在承受大功率的情況下發生的諧振放電現象。太空飛行器載荷中大功率微波部件如輸出多工器、濾波器、開關矩陣、天線饋源等極易產生微放電效應，微放電效應一旦發生將造成嚴重後果噪聲電平抬高，輸出功率下降；微波傳輸系統駐波比增大，反射功率增加，信道阻塞；微波部件表面損壞，載荷壽命縮短；太空飛行器載荷永久性失效，因此大功率微波部件的研製過程中
微放電是必須要克服的效應之一。微放電的敏感閾值是工程人員設計不發生微放電的微波部件的參考依據，目前預測微放電閾值的方法可以分為以下幾種一是由平行平板結果推演而來，如ESA的Multipactor Calcultor ;二是通過軌跡追蹤法，如FEST 3D ;三是FDTD與PIC結合的方法，如CST的粒子工作室。ESA的Multipactor Calcultor計算器對於同軸結構的微放電閾值計算由於是從平板結構推演而來，預測結果與實驗結果相比誤差較大。但上述已有方法存在的缺點主要體現在(I)未考慮電子實際出射時的速度分布和相位分布；(2)採用了固定的二次電子發射模型或描述二次電子發射的簡單固定參數，從而不能描述實際部件表面的二次電子發射特性，導致計算的微波部件微放電閾值出現偏差；(3)計算時間長，不利於為高微放電閾值的微波部件設計提供參考。

發明內容
本發明技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種確定同軸結構微放電閾值的方法，該方法能夠獲得準確的微放電閾值，同時獲得閾值的速度快。本發明技術解決方案一種確定同軸結構微放電閾值的方法，其特點包括以下幾個步驟(I)根據電子在同軸結構中所受到的電場力和磁場力，由電子運動滿足的Newton-Lorentz方程確定同軸結構中的電子的運動軌跡及運動速度；(2)根據電子完成碰撞時出射速度與渡越時間的一一對應性，將出射速度滿足的麥克斯韋分布概率轉化聯立為渡越時間的聯合概率函數概率；(3)根據電子的初始位置和發生的碰撞類型，所述電子初始位置分為內徑出射和外徑出射；所述碰撞類型包括雙邊碰撞和單邊碰撞；將步驟(2)得到的概率密度函數分為四類內徑單邊、內徑雙邊、外徑單邊與外徑雙邊，結合步驟(I)中的電子運動軌跡，分別對這四類概率密度函數進行最大值和單調性處理；(4)利用步驟(I)得到的電子運動速度，建立電子碰撞動能與渡越時間的關係，將電子的碰撞動能作為材料的二次電子發射特性的入射電子能量，獲得該渡越時間下電子碰撞時產生的二次電子數目；(5)基於發生微放電時相鄰兩次碰撞的電子出射相位分布穩定的基礎，根據步驟
(3)得到的概率密度函數與步驟(4)得到的二次電子倍增率函數構建微放電時電子數目滿足的穩態方程；通過求解穩態方程中有效二次電子倍增率，判斷該電壓是否會發生微放電；採用二分法逐步計算下一電壓的有效倍增率，該有效倍增率為I時對應的電壓即為微放電閾值。所述步驟(I)確定 同軸結構中的電子運動軌跡及電子運動速度的方法為(I)電子滿足的 Newton-Lorentz 為mf(t) - -e(E(r, t) + F(i) x B(r, t))m表不電子的質量，e表不電子的電量，t表不電子的運動時間，F(i)表不電子的運動軌跡，和#(O分別表示電子軌跡的一階導數和兩階導數，即電子運動的速度和加速度，E(r, )表不同軸結構中的電場分布，B(r,O表不同軸結構中的磁場分布；將電子滿足的Newton-Lorentz方程分解到柱坐標系的三個方向上，忽略影響電子運動較小的力，在非相對論情況下，磁場力遠遠小於電場力，忽略磁場力；(2)若同軸結構中電場與位置無關,此時電場和磁場為6(0和百00，貝U電子運動時間為t的電子運動軌跡和電子運動速度分別為=V(C) = F(0 = \E{t)dt
m J若同軸結構中電場與位置有關，將電子的位移分為引導電子整體運動趨勢的平均位移和射頻場引起的快速振蕩位移，採用微擾法進行求解，獲得電子運動軌跡及電子運動速度方程。所述步驟(2)的聯合概率密度函數為G(^0；r)=^fel/[g(r|r0；r)]t表示電子在同軸結構內、外導體間的渡越時間，h表示電子的出射時刻，r表示電子的運動軌跡，Galtci ；r)表示聯合概率密度函數，g(t|t0 ；r)表示電子的出射速度，f[g(t|t0 ；r)]表示電子出射速度滿足的麥克斯韋分布函數，g(i|r0;r) = v0 = r(/0),v>0/(v0) = -rexp,v>0, J/(v0)^v0=l
ντ V ^vT J οvT表示熱力學速度，V0表示電子出射時刻的速度。所述步驟(3)的四類碰撞分別為外徑雙邊Gds,。(t11。；r) 內徑雙邊Gds, i (t 11。；r)外徑單邊GSS,。(t110 ；r) 內徑單邊GSS, i (t 110 ；r)令最大值處理函數
權利要求
1.一種確定同軸結構微放電閾值的方法，其特徵在於實現步驟如下 (1)根據電子在同軸結構中所受到的電場力和磁場力，由電子運動滿足的Newton-Lorentz方程確定同軸結構中的電子運動軌跡及電子運動速度； (2)根據電子完成碰撞時出射速度與渡越時間的對應性，將出射速度滿足的麥克斯韋分布的概率轉化為渡越時間的聯合概率密度函數； (3)根據電子的初始位置和發生的碰撞類型，將步驟(2)得到的聯合概率密度函數分為四類內徑單邊、內徑雙邊、外徑單邊與外徑雙邊，結合步驟(I)中的電子運動軌跡，分別對所述四類概率密度函數進行最大值和單調性處理，得到處理後的聯合概率密度函數；所述電子初始位置分為內徑出射和外徑出射；所述碰撞類型包括雙邊碰撞和單邊碰撞； (4)利用步驟(I)得到的電子運動速度，建立電子碰撞動能與渡越時間的關係，將電子的碰撞動能作為材料的二次電子發射特性的入射電子能量，獲得該渡越時間下電子碰撞時產生的二次電子倍增函數； (5)基於發生微放電時相鄰兩次碰撞的電子出射相位分布穩定的基礎，根據步驟(3)得到的處理後聯合概率密度函數與步驟(4)得到的二次電子倍增率函數構建微放電時電子數目滿足的穩態方程；通過求解穩態方程中有效二次電子倍增率，判斷該電壓是否會發生微放電；採用二分法逐步計算下一電壓的有效倍增率，該有效倍增率為I時對應的電壓即為微放電閾值。
2.根據權利要求I所述的確定同軸結構微放電閾值的方法，其特徵在於所述步驟(I)確定同軸結構中的電子運動軌跡及電子運動速度的方法為 (1)電子滿足的Newton-Lorentz為
3.根據權利要求I所述的確定同軸結構微放電閾值的方法，其特徵在於所述步驟(2)的聯合概率密度函數為
4.根據權利要求I所述的確定同軸結構微放電閾值的方法，其特徵在於所述步驟(3)的四類碰撞分別為外徑雙邊Gds, 0(t 110 ；r) 內徑雙邊Gds, i (t 110 ；r) 外徑單邊GSS,。(t 11。；r) 內徑單邊GSS, i (t 110 ；r) 令最大值處理函數
5.根據權利要求I所述的確定同軸結構微放電閾值的方法，其特徵在於所述步驟(4)中二次電子倍增函數的確定方法為 電子的碰撞速度V, =r(t,) 電子的碰撞能量
6.根據權利要求I所述的確定同軸結構微放電閾值的方法，其特徵在於所述步驟(5)中構建的微放電的穩態方程及求解方法為 (51)微放電的穩態方程
全文摘要
一種確定同軸結構微放電閾值的方法，確定同軸結構中的電子運動軌跡及電子運動速度；將出射速度滿足的麥克斯韋分布的概率轉化為渡越時間的聯合概率密度函數；分別對四類概率密度函數進行最大值和單調性處理，得到處理後的聯合概率密度函數；將電子的碰撞動能作為材料的二次電子發射特性的入射電子能量，獲得該渡越時間下電子碰撞時產生的二次電子倍增函數；構建微放電時電子數目滿足的穩態方程；通過求解穩態方程中有效二次電子倍增率，判斷該電壓是否會發生微放電；採用二分法逐步計算下一電壓的有效倍增率，該有效倍增率為1時對應的電壓即為微放電閾值。本發明能夠獲得準確的微放電閾值，同時獲得閾值的速度快。
文檔編號G06F19/00GK102880783SQ20121026441
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月27日 優先權日2012年7月27日
發明者張娜, 崔萬照, 林舒, 李永東 申請人:西安空間無線電技術研究所