CN107248605A - 一种大功率环行器及其抗微放电设计方法 - Google Patents

Abstract

一种大功率环行器，包括金属腔体(1)、铁氧体旋磁基片(2)和介质卡槽(3)；金属腔体(1)包括上盖、底座，上盖和底座上镜面对称位置有凹槽，上盖安装在底座上，上盖与底座之间形成空腔；铁氧体旋磁基片(2)位于介质卡槽(3)内；介质卡槽(3)安装在金属腔体(1)的空腔中，位于上盖和底座的凹槽之间，使得铁氧体旋磁基片(2)贴紧金属腔体(1)。本发明的方法首先通过初步电性能设计优化将最强场强集中于旋磁基片区域，然后在该区域加载多层同心介质圆环构成介电常数随空间变化的介质卡槽，然后进一步进行电性能优化与微放电仿真优化，在满足实际电性能需要的前提下实现微放电电子轨迹阻断，有效提升微放电阈值功率。

Description

一种大功率环行器及其抗微放电设计方法

技术领域

本发明涉及一种环行器及其抗微放电设计方法。

背景技术

航天器大功率微波部件的高微放电风险是影响航天器有效载荷长寿命、高可靠性的关键性因素，也是大功率应用下卫星最大的单点失效环节。

传统的微放电抑制方法主要分为两类：物理抑制方法和化学抑制方法。其中，物理抑制方法主要通过增大微波部件最大电场强度处金属表面间距实现微放电阈值的提高。对于航天器微波部件而言，由于其体积与质量严格受控，通过增加物理尺寸提高微放电阈值的方法存在很大的局限性。同时，通过加大物理尺寸能够提高微放电阈值的范围有限，体积增大将给空间应用带来高昂的代价，在很多应用情况下是不可能实现的途径。

化学抑制方法主要通过在金属表面涂覆特殊材料，例如阿洛丁(Alodine)等降低金属表面二次电子发射产生，最终实现微放电的抑制。该类方法导致损耗的普遍增加，对微波部件电性能影响较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大功率环行器及其抗微放电设计方法，首先通过初步电性能设计优化将最强场强集中于旋磁基片区域，然后在该区域加载多层同心介质圆环构成介电常数随空间变化的介质卡槽，然后进一步进行电性能优化与微放电仿真优化，在满足实际性能需要的前提下实现微放电电子轨迹阻断，有效提升微放电阈值功率。

本发明的技术解决方案是：一种大功率环行器，包括金属腔体、铁氧体旋磁基片和介质卡槽；金属腔体包括上盖、底座，上盖和底座上镜面对称位置有凹槽，上盖安装在底座上，上盖与底座之间形成空腔；铁氧体旋磁基片位于介质卡槽内；介质卡槽安装在金属腔体的空腔中，位于上盖和底座的凹槽之间，使得铁氧体旋磁基片贴紧金属腔体。

所述金属腔体底座中部有凸起的金属匹配台，介质卡槽安装在金属匹配台上。

所述金属腔体上盖与金属腔体底座上的金属匹配台对应位置处有凸起的金属匹配台。

所述介质卡槽包括N个同心的介质圆环、介质圆柱，N个介质圆环依次套在介质圆柱外，介质圆环的相对介电常数从最外层到中心逐渐增大，介质圆柱的相对介电常数大于N个介质圆环的相对介电常数；其中，N为正整数。

所述铁氧体旋磁基片安装在介质圆环内，位于介质圆柱一端或分别位于介质圆柱两端，与金属腔体上盖或底座贴合。

所述金属匹配台中部有用于卡住介质卡槽的圆形的定位凹槽，定位凹槽深度不大于0.5mm。

所述介质卡槽的材料为单晶材料、氮化硼、聚酰亚胺或陶瓷。

一种大功率环行器的抗微放电设计方法，包括步骤如下：

步骤一、给定环行器的中心工作频率f_r、工作带宽B_W、各端口隔离度、微放电功率要求P、金属腔体的材料及金属腔体的二次电子发射特性参数、铁氧体旋磁基片的电性能参数及铁氧体旋磁基片的二次电子发射特性参数；

步骤二、根据步骤一给定的环行器的中心工作频率f_r、工作带宽B_W、各端口隔离度和铁氧体旋磁基片的电性能参数，结合描述电磁场演化的麦克斯韦方程组，获得环行器的结构尺寸；

步骤三、根据步骤二确定的环行器结构尺寸，建立环行器的三维几何模型，将环行器的三维几何模型划分为m个网格单元，运用描述电磁场演化的麦克斯韦方程组，确定环行器三维几何模型中每个各网格单元处的电磁场分布；m为正整数；

步骤四、根据步骤三中获得的环行器三维几何模型中的电磁场分布，确定最强场强位置，确定介质卡槽的安装位置并确定介质卡槽中介质圆环的层数N；

步骤五、重复调整环行器的结构尺寸并重新搭建环行器的三维几何模型，运用描述电磁场演化的麦克斯韦方程组对重新建立的环行器三维几何模型进行电磁场仿真，并结合步骤一中确定的金属腔体的材料及其二次电子发射特性参数、铁氧体旋磁基片的二次电子发射特性参数，运用描述电磁场演化的麦克斯韦方程组和描述电子运动的洛仑兹方程组，计算获得环行器的微放电功率阈值，直至电磁场仿真结果中的中心工作频率等于步骤一中给定的中心工作频率f_r、工作带宽大于或等于步骤一中给定的工作带宽B_W、各端口隔离度小于或等于步骤二中给定的各端口隔离度，环行器的微放电功率阈值大于或等于步骤一中给定的微放电功率要求P。

所述铁氧体旋磁基片的电性能参数包括相对介电常数ε_r、相对磁导率μ_r、损耗角正切tanδ、线宽L_W、磁饱和张量M_S和二次电子发射特性参数、外加磁偏置方向和大小B₀；

所述二次电子发射特性参数包括电子垂直入射时的最大二次电子发射系数δ_max、δ_max对应的电子入射能量E_max、二次电子发射系数为1时对应的最小电子入射能量E_min。

所述环行器的结构尺寸包括金属腔体的端口宽度w、空腔高度h，铁氧体旋磁基片的半径r₁、高度h₁，介质卡槽的半径r₀、高度h_r，定位凹槽的半径r₀、高度h₀，金属匹配台的半径r₂、高度h₂。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的环行器通过在传统环行器设计中加入介质卡槽，使得真空中电子运动轨迹被阻断，消除微放电中电子倍增运动的必要条件之一，实现抗微放电设计，与现有技术相比，具有结构尺寸更小、微放电功率更高的优点；

(2)本发明的方法提出了由N个同心介质环组成的介质卡槽及其在环行器抗微放电设计中的应用与优化方法，在电性能几乎保持不变的前提下，改变最易发生微放电部位的铁氧体旋磁基片与金属腔体的结合方式，再通过对铁氧体旋磁基片的结构优化设计使最大场强与最易放电区域集中在电子运动路径被阻断区域，与现有技术相比，在不影响环行器损耗与其余电性能参数的前提下，成功实现了环行器的微放电阈值功率的大幅度提高。

(3)本发明提出的环行器及其抗微放电设计方法具有体积小、结构易于加工、微放电阈值功率提升显著等优点，同时避免了由于黏胶出气导致的低气压放电等风险，对于航天器大功率环行器应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明双片旋磁基片环行器基本结构；

图2为本发明单片旋磁基片环行器基本结构；

图3(a)为本发明的环行器在剖视角度的结构尺寸参数；

图3(b)为本发明中金属腔体的底座在俯视角度的结构尺寸参数示意图；

图4为本发明介质卡槽组成结构三维示意图；

图5为本发明带定位凹槽的环行器优化结构。

具体实施方式

一种大功率环行器，包括金属腔体1、铁氧体旋磁基片2和介质卡槽3；金属腔体1包括上盖、底座，上盖和底座上镜面对称位置有凹槽，上盖安装在底座上，上盖与底座之间形成空腔；铁氧体旋磁基片2位于介质卡槽3内；介质卡槽3安装在金属腔体1的空腔中，位于上盖和底座的凹槽之间，使得铁氧体旋磁基片2贴紧金属腔体1。

金属腔体1底座的凹槽底面中部有凸起的金属匹配台5，介质卡槽3安装在金属匹配台5上。金属腔体1上盖与金属腔体1底座上的金属匹配台5对应位置处有凸起的金属匹配台5。

介质卡槽3包括N个同心的介质圆环、介质圆柱，N个介质圆环依次套在介质圆柱外，介质圆环的相对介电常数从最外层到中心逐渐增大，介质圆柱的相对介电常数大于N个介质圆环的相对介电常数；其中，N为正整数。介质卡槽3的材料为单晶材料、氮化硼、聚酰亚胺或陶瓷。

如图1、图2所示，铁氧体旋磁基片2安装在介质圆环内，数量为一片或两片，位于介质圆柱一端或分别位于介质圆柱两端，与金属腔体1上盖或底座贴合。

如图5所示，金属匹配台5中部可以加工用于卡住介质卡槽3的圆形的定位凹槽4，定位凹槽4深度不大于0.5mm。

一种大功率环行器的抗微放电设计方法，包括步骤如下：

步骤一、给定环行器的中心工作频率f_r、工作带宽B_W、各端口隔离度、微放电功率要求P、金属腔体1的材料及金属腔体1的二次电子发射特性参数、铁氧体旋磁基片2的电性能参数及其二次电子发射特性参数；

所述铁氧体旋磁基片2的电性能参数包括相对介电常数ε_r、相对磁导率μ_r、损耗角正切tanδ、线宽L_W、磁饱和张量M_S和二次电子发射特性参数、外加磁偏置方向和大小B₀；

所述二次电子发射特性参数包括电子垂直入射时的最大二次电子发射系数δ_max、δ_max对应的电子入射能量E_max、二次电子发射系数为1时对应的最小电子入射能量E_min。

步骤二、根据步骤一给定的环行器的中心工作频率f_r、工作带宽B_W、各端口隔离度和铁氧体旋磁基片2的电性能参数，结合描述电磁场演化的麦克斯韦方程组，获得环行器的结构尺寸；

如图3(a)、图3(b)所示，所述环行器的结构尺寸包括金属腔体1的端口宽度w、空腔高度h，铁氧体旋磁基片2的半径r₁、高度h₁，介质卡槽3的半径r₀、高度h_r，定位凹槽4的半径r₀、高度h₀，金属匹配台5的半径r₂、高度h₂。

步骤三、根据步骤二确定的环行器结构尺寸，建立环行器的三维几何模型，将环行器的三维几何模型划分为m个网格单元，运用描述电磁场演化的麦克斯韦方程组，确定环行器三维几何模型中每个各网格单元处的电磁场分布；m为正整数；

步骤四、根据步骤三中获得的环行器三维几何模型中的电磁场分布，确定最强场强位置，确定介质卡槽3的安装位置并确定介质卡槽3中介质圆环的层数N；

步骤五、重复调整环行器的结构尺寸并重新搭建环行器的三维几何模型，运用描述电磁场演化的麦克斯韦方程组对重新建立的环行器三维几何模型进行电磁场仿真，并结合步骤一中确定的金属腔体1的材料及其二次电子发射特性参数、铁氧体旋磁基片2的二次电子发射特性参数，运用描述电磁场演化的麦克斯韦方程组和描述电子运动的洛仑兹方程组，计算获得环行器的微放电功率阈值，直至电磁场仿真结果中的中心工作频率等于步骤一中给定的中心工作频率f_r、工作带宽大于或等于步骤一中给定的工作带宽B_W、各端口隔离度小于或等于步骤一中给定的各端口隔离度，环行器的微放电功率阈值大于或等于步骤一中给定的微放电功率要求P。

实施例一：大功率Y型结环行器及其抗微放电设计方法

如图5所示，所述大功率环行器包括金属腔体1、铁氧体旋磁基片2和介质卡槽3，其中在金属腔体1上加工金属匹配台5和定位凹槽4，其中铁氧体旋磁基片2位于介质卡槽3内，介质卡槽3将铁氧体旋磁基2片卡紧在金属腔体1内；金属腔体1的上盖安装在底座上，上盖与底座之间形成空腔，空腔包括一个加载铁氧体旋磁基片2的中心区域及三个端口，三个端口分别与外部线路连接，当一定频率的电磁波入射到一个端口，则该电磁波由环行的下一端口输出，对于第三端口具有一定的隔离度。

采用所述大功率环行器及其抗微放电设计方法，进行微放电抑制环行器优化设计，包括如下步骤：

(1)给定环行器的中心工作频率f_r为3.25GHz、工作带宽B_W为50MHz、各端口隔离度为-25dB、微放电功率要求P为1000W、金属腔体1的材料为银及其二次电子发射特性参数，铁氧体旋磁基片2的电性能参数及其二次电子发射特性参数；

铁氧体旋磁基片2的电性能参数包括相对介电常数ε_r为13、相对磁导率μ_r为1、损耗角正切tanδ为0.009、线宽L_W为2、磁饱和张量M_S为600G、外加磁偏置方向为垂直于铁氧体旋磁基片2，外加磁偏置大小B₀为0；

铁氧体旋磁基片2的二次电子发射特性参数包括电子垂直入射时的最大二次电子发射系数δ_max为2.4、垂直入射时的最大二次电子发射系数δ_max对应能量E_max为300eV、二次电子发射系数为1时最小对应能量E_min为30eV；

金属腔体1的二次电子发射特性参数包括电子垂直入射时的最大二次电子发射系数δ_max为2.2、对应电子入射能量E_max为165eV、二次电子发射系数为1时对应的最小电子入射能量E_min为30eV；

(2)根据步骤(1)给定环行器的中心工作频率f_r、工作带宽B_W、各端口隔离度和铁氧体旋磁基片2的电性能参数，结合描述电磁场演化的麦克斯韦方程组，确定环行器的结构尺寸(张国荣等，微波铁氧体材料与器件，电子工业出版社，1993年)，环行器的结构尺寸包括金属腔体1的端口宽度w、空腔高度h，铁氧体旋磁基片2的半径r₁、高度h₁，介质卡槽3的半径r₀、高度h_r，定位凹槽4的半径r₀、高度h₀，金属匹配台5的半径r₂、高度h₂；其中，h_r＝h-h₂+h₀；

(3)根据步骤(2)确定的环行器结构尺寸，建立环行器的三维几何模型，将建立的三维几何模型分解成若干个网格单元，运用描述电磁场演化的麦克斯韦方程组，确定环行器三维几何模型中每个各网格单元处的电磁场分布；

(4)根据步骤(3)所述环行器三维几何模型中的电磁场分布确定最强场强位置，确定介质卡槽3的安装位置并确定介质卡槽3中介质圆环的层数，所述介质卡槽3位于金属腔体1之间，将铁氧体旋磁基片2包含在介质卡槽3内并使铁氧体旋磁基片2的一面与金属腔体1贴合；如图4所示，介质卡槽3包含N个同心介质圆环、介质圆柱，其中，在本实施例中N＝1，第i个介质圆环的相对介电常数为ε_ri(最外侧的介质圆环为第1个介质圆环，依次向中心编号)，ε_r1＝2.1；中心处介质圆柱的相对介电常数ε_r0＝5.5。

(5)重复调整环行器的结构尺寸，并重新搭建环行器三维几何模型，采用商业电磁仿真软件HFSS运用描述电磁场演化的麦克斯韦方程组对所述环行器三维几何模型进行电磁场仿真，使电磁场仿真结果中的中心工作频率等于步骤(1)中给定的环行器的中心工作频率f_r、工作带宽大于或等于步骤(1)给定的工作带宽B_W、各端口隔离度小于或等于步骤(1)给定的各端口隔离度；并结合步骤(1)确定的金属腔体1的材料及其二次电子发射特性参数、铁氧体旋磁基片2的二次电子发射特性参数，采用商业软件CST的粒子模拟工作室运用描述电磁场演化的麦克斯韦方程组和描述电子运动的洛仑兹方程组，计算获得环行器的微放电功率阈值为3200W，远大于步骤(1)给定的微放电功率要求P。

实现大功率环行器抗微放电设计，大功率环行器结构参数值如表1所示；

采用本发明方法设计的高微放电阈值环行器与传统设计环行器电性能参数与微放电阈值对比如表2所示。

表1大功率环行器结构参数值

表2环行器微放电优化设计实验测试结果对比

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 (10)

1.一种大功率环行器，其特征在于，包括金属腔体(1)、铁氧体旋磁基片(2)和介质卡槽(3)；金属腔体(1)包括上盖、底座，上盖和底座上镜面对称位置有凹槽，上盖安装在底座上，上盖与底座之间形成空腔；铁氧体旋磁基片(2)位于介质卡槽(3)内；介质卡槽(3)安装在金属腔体(1)的空腔中，位于上盖和底座的凹槽之间，使得铁氧体旋磁基片(2)贴紧金属腔体(1)。

2.根据权利要求1所述的一种大功率环行器，其特征在于，所述金属腔体(1)底座中部有凸起的金属匹配台(5)，介质卡槽(3)安装在金属匹配台(5)上。

3.根据权利要求2所述的一种大功率环行器，其特征在于，所述金属腔体(1)上盖与金属腔体(1)底座上的金属匹配台(5)对应位置处有凸起的金属匹配台(5)。

4.根据权利要求3所述的一种大功率环行器，其特征在于，所述介质卡槽(3)包括N个同心的介质圆环、介质圆柱，N个介质圆环依次套在介质圆柱外，介质圆环的相对介电常数从最外层到中心逐渐增大，介质圆柱的相对介电常数大于N个介质圆环的相对介电常数；其中，N为正整数。

5.根据权利要求4所述的一种大功率环行器，其特征在于，所述铁氧体旋磁基片(2)安装在介质圆环内，位于介质圆柱一端或分别位于介质圆柱两端，与金属腔体(1)上盖或底座贴合。

6.根据权利要求3所述的一种大功率环行器，其特征在于，所述金属匹配台(5)中部有用于卡住介质卡槽(3)的圆形的定位凹槽(4)，定位凹槽(4)深度不大于0.5mm。

7.根据权利要求4所述的一种大功率环行器，其特征在于，所述介质卡槽(3)的材料为单晶材料、氮化硼、聚酰亚胺或陶瓷。

8.一种如权利要求1～7中任一权利要求所述的大功率环行器的抗微放电设计方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一、给定环行器的中心工作频率f_r、工作带宽B_W、各端口隔离度、微放电功率要求P、金属腔体(1)的材料及金属腔体(1)的二次电子发射特性参数、铁氧体旋磁基片(2)的电性能参数及铁氧体旋磁基片(2)的二次电子发射特性参数；

步骤二、根据步骤一给定的环行器的中心工作频率f_r、工作带宽B_W、各端口隔离度和铁氧体旋磁基片(2)的电性能参数，结合描述电磁场演化的麦克斯韦方程组，获得环行器的结构尺寸；

步骤三、根据步骤二确定的环行器结构尺寸，建立环行器的三维几何模型，将环行器的三维几何模型划分为m个网格单元，运用描述电磁场演化的麦克斯韦方程组，确定环行器三维几何模型中每个各网格单元处的电磁场分布；m为正整数；

步骤四、根据步骤三中获得的环行器三维几何模型中的电磁场分布，确定最强场强位置，确定介质卡槽(3)的安装位置并确定介质卡槽(3)中介质圆环的层数N；

步骤五、重复调整环行器的结构尺寸并重新搭建环行器的三维几何模型，运用描述电磁场演化的麦克斯韦方程组对重新建立的环行器三维几何模型进行电磁场仿真，并结合步骤一中确定的金属腔体(1)的材料及其二次电子发射特性参数、铁氧体旋磁基片(2)的二次电子发射特性参数，运用描述电磁场演化的麦克斯韦方程组和描述电子运动的洛仑兹方程组，计算获得环行器的微放电功率阈值，直至电磁场仿真结果中的中心工作频率等于步骤一中给定的中心工作频率f_r、工作带宽大于或等于步骤一中给定的工作带宽B_W、各端口隔离度小于或等于步骤二中给定的各端口隔离度，环行器的微放电功率阈值大于或等于步骤一中给定的微放电功率要求P。

9.根据权利要求8所述的一种大功率环行器的抗微放电设计方法，其特征在于：所述铁氧体旋磁基片(2)的电性能参数包括相对介电常数ε_r、相对磁导率μ_r、损耗角正切tanδ、线宽L_W、磁饱和张量M_S和二次电子发射特性参数、外加磁偏置方向和大小B₀；

所述二次电子发射特性参数包括电子垂直入射时的最大二次电子发射系数δ_max、δ_max对应的电子入射能量E_max、二次电子发射系数为1时对应的最小电子入射能量E_min。

10.根据权利要求8所述的一种大功率环行器的抗微放电设计方法，其特征在于：所述环行器的结构尺寸包括金属腔体(1)的端口宽度w、空腔高度h，铁氧体旋磁基片(2)的半径r₁、高度h₁，介质卡槽(3)的半径r₀、高度h_r，定位凹槽(4)的半径r₀、高度h₀，金属匹配台(5)的半径r₂、高度h₂。