專利名稱：一種確定同軸結(jié)構(gòu)微放電閾值的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定同軸結(jié)構(gòu)微放電閾值的方法,適用于不發(fā)生微放電的同軸結(jié)構(gòu)微波部件的設(shè)計及同軸結(jié)構(gòu)微波部件微放電閾值的預(yù)測。
背景技術(shù)：
微放電效應(yīng)也稱二次電子倍增效應(yīng)，是指部件處于I X IO-3Pa或更低壓強(qiáng)時，在承受大功率的情況下發(fā)生的諧振放電現(xiàn)象。航天器載荷中大功率微波部件如輸出多工器、濾波器、開關(guān)矩陣、天線饋源等極易產(chǎn)生微放電效應(yīng)，微放電效應(yīng)一旦發(fā)生將造成嚴(yán)重后果噪聲電平抬高，輸出功率下降；微波傳輸系統(tǒng)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；航天器載荷永久性失效，因此大功率微波部件的研制過程中
微放電是必須要克服的效應(yīng)之一。微放電的敏感閾值是工程人員設(shè)計不發(fā)生微放電的微波部件的參考依據(jù)，目前預(yù)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(jié)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(jié)合的方法，如CST的粒子工作室。ESA的Multipactor Calcultor計算器對于同軸結(jié)構(gòu)的微放電閾值計算由于是從平板結(jié)構(gòu)推演而來，預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比誤差較大。但上述已有方法存在的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在(I)未考慮電子實(shí)際出射時的速度分布和相位分布；(2)采用了固定的二次電子發(fā)射模型或描述二次電子發(fā)射的簡單固定參數(shù)，從而不能描述實(shí)際部件表面的二次電子發(fā)射特性，導(dǎo)致計算的微波部件微放電閾值出現(xiàn)偏差；(3)計算時間長，不利于為高微放電閾值的微波部件設(shè)計提供參考。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種確定同軸結(jié)構(gòu)微放電閾值的方法，該方法能夠獲得準(zhǔn)確的微放電閾值，同時獲得閾值的速度快。本發(fā)明技術(shù)解決方案一種確定同軸結(jié)構(gòu)微放電閾值的方法，其特點(diǎn)包括以下幾個步驟(I)根據(jù)電子在同軸結(jié)構(gòu)中所受到的電場力和磁場力，由電子運(yùn)動滿足的Newton-Lorentz方程確定同軸結(jié)構(gòu)中的電子的運(yùn)動軌跡及運(yùn)動速度；(2)根據(jù)電子完成碰撞時出射速度與渡越時間的一一對應(yīng)性，將出射速度滿足的麥克斯韋分布概率轉(zhuǎn)化聯(lián)立為渡越時間的聯(lián)合概率函數(shù)概率；(3)根據(jù)電子的初始位置和發(fā)生的碰撞類型，所述電子初始位置分為內(nèi)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(shù)分為四類內(nèi)徑單邊、內(nèi)徑雙邊、外徑單邊與外徑雙邊，結(jié)合步驟(I)中的電子運(yùn)動軌跡，分別對這四類概率密度函數(shù)進(jìn)行最大值和單調(diào)性處理；(4)利用步驟(I)得到的電子運(yùn)動速度，建立電子碰撞動能與渡越時間的關(guān)系，將電子的碰撞動能作為材料的二次電子發(fā)射特性的入射電子能量，獲得該渡越時間下電子碰撞時產(chǎn)生的二次電子數(shù)目；(5)基于發(fā)生微放電時相鄰兩次碰撞的電子出射相位分布穩(wěn)定的基礎(chǔ)，根據(jù)步驟
(3)得到的概率密度函數(shù)與步驟(4)得到的二次電子倍增率函數(shù)構(gòu)建微放電時電子數(shù)目滿足的穩(wěn)態(tài)方程；通過求解穩(wěn)態(tài)方程中有效二次電子倍增率，判斷該電壓是否會發(fā)生微放電；采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(yīng)的電壓即為微放電閾值。所述步驟(I)確定 同軸結(jié)構(gòu)中的電子運(yùn)動軌跡及電子運(yùn)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(zhì)量，e表不電子的電量，t表不電子的運(yùn)動時間，F(xiàn)(i)表不電子的運(yùn)動軌跡，和#(O分別表示電子軌跡的一階導(dǎo)數(shù)和兩階導(dǎo)數(shù)，即電子運(yùn)動的速度和加速度，E(r, )表不同軸結(jié)構(gòu)中的電場分布，B(r,O表不同軸結(jié)構(gòu)中的磁場分布；將電子滿足的Newton-Lorentz方程分解到柱坐標(biāo)系的三個方向上，忽略影響電子運(yùn)動較小的力，在非相對論情況下，磁場力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電場力，忽略磁場力；(2)若同軸結(jié)構(gòu)中電場與位置無關(guān),此時電場和磁場為6(0和百00，貝U電子運(yùn)動時間為t的電子運(yùn)動軌跡和電子運(yùn)動速度分別為=V(C) = F(0 = \E{t)dt
m J若同軸結(jié)構(gòu)中電場與位置有關(guān)，將電子的位移分為引導(dǎo)電子整體運(yùn)動趨勢的平均位移和射頻場引起的快速振蕩位移，采用微擾法進(jìn)行求解，獲得電子運(yùn)動軌跡及電子運(yùn)動速度方程。所述步驟(2)的聯(lián)合概率密度函數(shù)為G(^0；r)=^fel/[g(r|r0；r)]t表示電子在同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)、外導(dǎo)體間的渡越時間，h表示電子的出射時刻，r表示電子的運(yùn)動軌跡，Galtci ；r)表示聯(lián)合概率密度函數(shù)，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(shù)，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(xué)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(nèi)徑雙邊Gds, i (t 11。；r)外徑單邊GSS,。(t110 ；r) 內(nèi)徑單邊GSS, i (t 110 ；r)令最大值處理函數(shù)
權(quán)利要求
1.一種確定同軸結(jié)構(gòu)微放電閾值的方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下 (1)根據(jù)電子在同軸結(jié)構(gòu)中所受到的電場力和磁場力，由電子運(yùn)動滿足的Newton-Lorentz方程確定同軸結(jié)構(gòu)中的電子運(yùn)動軌跡及電子運(yùn)動速度； (2)根據(jù)電子完成碰撞時出射速度與渡越時間的對應(yīng)性，將出射速度滿足的麥克斯韋分布的概率轉(zhuǎn)化為渡越時間的聯(lián)合概率密度函數(shù)； (3)根據(jù)電子的初始位置和發(fā)生的碰撞類型，將步驟(2)得到的聯(lián)合概率密度函數(shù)分為四類內(nèi)徑單邊、內(nèi)徑雙邊、外徑單邊與外徑雙邊，結(jié)合步驟(I)中的電子運(yùn)動軌跡，分別對所述四類概率密度函數(shù)進(jìn)行最大值和單調(diào)性處理，得到處理后的聯(lián)合概率密度函數(shù)；所述電子初始位置分為內(nèi)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(yùn)動速度，建立電子碰撞動能與渡越時間的關(guān)系，將電子的碰撞動能作為材料的二次電子發(fā)射特性的入射電子能量，獲得該渡越時間下電子碰撞時產(chǎn)生的二次電子倍增函數(shù)； (5)基于發(fā)生微放電時相鄰兩次碰撞的電子出射相位分布穩(wěn)定的基礎(chǔ)，根據(jù)步驟(3)得到的處理后聯(lián)合概率密度函數(shù)與步驟(4)得到的二次電子倍增率函數(shù)構(gòu)建微放電時電子數(shù)目滿足的穩(wěn)態(tài)方程；通過求解穩(wěn)態(tài)方程中有效二次電子倍增率，判斷該電壓是否會發(fā)生微放電；采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(yīng)的電壓即為微放電閾值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的確定同軸結(jié)構(gòu)微放電閾值的方法，其特征在于所述步驟(I)確定同軸結(jié)構(gòu)中的電子運(yùn)動軌跡及電子運(yùn)動速度的方法為 (1)電子滿足的Newton-Lorentz為
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的確定同軸結(jié)構(gòu)微放電閾值的方法，其特征在于所述步驟(2)的聯(lián)合概率密度函數(shù)為
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的確定同軸結(jié)構(gòu)微放電閾值的方法，其特征在于所述步驟(3)的四類碰撞分別為外徑雙邊Gds, 0(t 110 ；r) 內(nèi)徑雙邊Gds, i (t 110 ；r) 外徑單邊GSS,。(t 11。；r) 內(nèi)徑單邊GSS, i (t 110 ；r) 令最大值處理函數(shù)
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的確定同軸結(jié)構(gòu)微放電閾值的方法，其特征在于所述步驟(4)中二次電子倍增函數(shù)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(jù)權(quán)利要求I所述的確定同軸結(jié)構(gòu)微放電閾值的方法，其特征在于所述步驟(5)中構(gòu)建的微放電的穩(wěn)態(tài)方程及求解方法為 (51)微放電的穩(wěn)態(tài)方程
全文摘要
一種確定同軸結(jié)構(gòu)微放電閾值的方法，確定同軸結(jié)構(gòu)中的電子運(yùn)動軌跡及電子運(yùn)動速度；將出射速度滿足的麥克斯韋分布的概率轉(zhuǎn)化為渡越時間的聯(lián)合概率密度函數(shù)；分別對四類概率密度函數(shù)進(jìn)行最大值和單調(diào)性處理，得到處理后的聯(lián)合概率密度函數(shù)；將電子的碰撞動能作為材料的二次電子發(fā)射特性的入射電子能量，獲得該渡越時間下電子碰撞時產(chǎn)生的二次電子倍增函數(shù)；構(gòu)建微放電時電子數(shù)目滿足的穩(wěn)態(tài)方程；通過求解穩(wěn)態(tài)方程中有效二次電子倍增率，判斷該電壓是否會發(fā)生微放電；采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(yīng)的電壓即為微放電閾值。本發(fā)明能夠獲得準(zhǔn)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(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者張娜, 崔萬照, 林舒, 李永東 申請人:西安空間無線電技術(shù)研究所