本發(fā)明涉及一種環(huán)行器及其抗微放電設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

航天器大功率微波部件的高微放電風(fēng)險是影響航天器有效載荷長壽命、高可靠性的關(guān)鍵性因素，也是大功率應(yīng)用下衛(wèi)星最大的單點失效環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的微放電抑制方法主要分為兩類：物理抑制方法和化學(xué)抑制方法。其中，物理抑制方法主要通過增大微波部件最大電場強(qiáng)度處金屬表面間距實現(xiàn)微放電閾值的提高。對于航天器微波部件而言，由于其體積與質(zhì)量嚴(yán)格受控，通過增加物理尺寸提高微放電閾值的方法存在很大的局限性。同時，通過加大物理尺寸能夠提高微放電閾值的范圍有限，體積增大將給空間應(yīng)用帶來高昂的代價，在很多應(yīng)用情況下是不可能實現(xiàn)的途徑。

化學(xué)抑制方法主要通過在金屬表面涂覆特殊材料，例如阿洛丁(alodine)等降低金屬表面二次電子發(fā)射產(chǎn)生，最終實現(xiàn)微放電的抑制。該類方法導(dǎo)致?lián)p耗的普遍增加，對微波部件電性能影響較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種大功率環(huán)行器及其抗微放電設(shè)計方法，首先通過初步電性能設(shè)計優(yōu)化將最強(qiáng)場強(qiáng)集中于旋磁基片區(qū)域，然后在該區(qū)域加載多層同心介質(zhì)圓環(huán)構(gòu)成介電常數(shù)隨空間變化的介質(zhì)卡槽，然后進(jìn)一步進(jìn)行電性能優(yōu)化與微放電仿真優(yōu)化，在滿足實際性能需要的前提下實現(xiàn)微放電電子軌跡阻斷，有效提升微放電閾值功率。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種大功率環(huán)行器，包括金屬腔體、鐵氧體旋磁基片和介質(zhì)卡槽；金屬腔體包括上蓋、底座，上蓋和底座上鏡面對稱位置有凹槽，上蓋安裝在底座上，上蓋與底座之間形成空腔；鐵氧體旋磁基片位于介質(zhì)卡槽內(nèi)；介質(zhì)卡槽安裝在金屬腔體的空腔中，位于上蓋和底座的凹槽之間，使得鐵氧體旋磁基片貼緊金屬腔體。

所述金屬腔體底座中部有凸起的金屬匹配臺，介質(zhì)卡槽安裝在金屬匹配臺上。

所述金屬腔體上蓋與金屬腔體底座上的金屬匹配臺對應(yīng)位置處有凸起的金屬匹配臺。

所述介質(zhì)卡槽包括n個同心的介質(zhì)圓環(huán)、介質(zhì)圓柱，n個介質(zhì)圓環(huán)依次套在介質(zhì)圓柱外，介質(zhì)圓環(huán)的相對介電常數(shù)從最外層到中心逐漸增大，介質(zhì)圓柱的相對介電常數(shù)大于n個介質(zhì)圓環(huán)的相對介電常數(shù)；其中，n為正整數(shù)。

所述鐵氧體旋磁基片安裝在介質(zhì)圓環(huán)內(nèi)，位于介質(zhì)圓柱一端或分別位于介質(zhì)圓柱兩端，與金屬腔體上蓋或底座貼合。

所述金屬匹配臺中部有用于卡住介質(zhì)卡槽的圓形的定位凹槽，定位凹槽深度不大于0.5mm。

所述介質(zhì)卡槽的材料為單晶材料、氮化硼、聚酰亞胺或陶瓷。

一種大功率環(huán)行器的抗微放電設(shè)計方法，包括步驟如下：

步驟一、給定環(huán)行器的中心工作頻率fr、工作帶寬bw、各端口隔離度、微放電功率要求p、金屬腔體的材料及金屬腔體的二次電子發(fā)射特性參數(shù)、鐵氧體旋磁基片的電性能參數(shù)及鐵氧體旋磁基片的二次電子發(fā)射特性參數(shù)；

步驟二、根據(jù)步驟一給定的環(huán)行器的中心工作頻率fr、工作帶寬bw、各端口隔離度和鐵氧體旋磁基片的電性能參數(shù)，結(jié)合描述電磁場演化的麥克斯韋方程組，獲得環(huán)行器的結(jié)構(gòu)尺寸；

步驟三、根據(jù)步驟二確定的環(huán)行器結(jié)構(gòu)尺寸，建立環(huán)行器的三維幾何模型，將環(huán)行器的三維幾何模型劃分為m個網(wǎng)格單元，運用描述電磁場演化的麥克斯韋方程組，確定環(huán)行器三維幾何模型中每個各網(wǎng)格單元處的電磁場分布；m為正整數(shù)；

步驟四、根據(jù)步驟三中獲得的環(huán)行器三維幾何模型中的電磁場分布，確定最強(qiáng)場強(qiáng)位置，確定介質(zhì)卡槽的安裝位置并確定介質(zhì)卡槽中介質(zhì)圓環(huán)的層數(shù)n；

步驟五、重復(fù)調(diào)整環(huán)行器的結(jié)構(gòu)尺寸并重新搭建環(huán)行器的三維幾何模型，運用描述電磁場演化的麥克斯韋方程組對重新建立的環(huán)行器三維幾何模型進(jìn)行電磁場仿真，并結(jié)合步驟一中確定的金屬腔體的材料及其二次電子發(fā)射特性參數(shù)、鐵氧體旋磁基片的二次電子發(fā)射特性參數(shù)，運用描述電磁場演化的麥克斯韋方程組和描述電子運動的洛侖茲方程組，計算獲得環(huán)行器的微放電功率閾值，直至電磁場仿真結(jié)果中的中心工作頻率等于步驟一中給定的中心工作頻率fr、工作帶寬大于或等于步驟一中給定的工作帶寬bw、各端口隔離度小于或等于步驟二中給定的各端口隔離度，環(huán)行器的微放電功率閾值大于或等于步驟一中給定的微放電功率要求p。

所述鐵氧體旋磁基片的電性能參數(shù)包括相對介電常數(shù)εr、相對磁導(dǎo)率μr、損耗角正切tanδ、線寬lw、磁飽和張量ms和二次電子發(fā)射特性參數(shù)、外加磁偏置方向和大小b0；

所述二次電子發(fā)射特性參數(shù)包括電子垂直入射時的最大二次電子發(fā)射系數(shù)δmax、δmax對應(yīng)的電子入射能量emax、二次電子發(fā)射系數(shù)為1時對應(yīng)的最小電子入射能量emin。

所述環(huán)行器的結(jié)構(gòu)尺寸包括金屬腔體的端口寬度w、空腔高度h，鐵氧體旋磁基片的半徑r1、高度h1，介質(zhì)卡槽的半徑r0、高度hr，定位凹槽的半徑r0、高度h0，金屬匹配臺的半徑r2、高度h2。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明的環(huán)行器通過在傳統(tǒng)環(huán)行器設(shè)計中加入介質(zhì)卡槽，使得真空中電子運動軌跡被阻斷，消除微放電中電子倍增運動的必要條件之一，實現(xiàn)抗微放電設(shè)計，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)尺寸更小、微放電功率更高的優(yōu)點；

(2)本發(fā)明的方法提出了由n個同心介質(zhì)環(huán)組成的介質(zhì)卡槽及其在環(huán)行器抗微放電設(shè)計中的應(yīng)用與優(yōu)化方法，在電性能幾乎保持不變的前提下，改變最易發(fā)生微放電部位的鐵氧體旋磁基片與金屬腔體的結(jié)合方式，再通過對鐵氧體旋磁基片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計使最大場強(qiáng)與最易放電區(qū)域集中在電子運動路徑被阻斷區(qū)域，與現(xiàn)有技術(shù)相比，在不影響環(huán)行器損耗與其余電性能參數(shù)的前提下，成功實現(xiàn)了環(huán)行器的微放電閾值功率的大幅度提高。

(3)本發(fā)明提出的環(huán)行器及其抗微放電設(shè)計方法具有體積小、結(jié)構(gòu)易于加工、微放電閾值功率提升顯著等優(yōu)點，同時避免了由于黏膠出氣導(dǎo)致的低氣壓放電等風(fēng)險，對于航天器大功率環(huán)行器應(yīng)用前景廣闊。

附圖說明

圖1為本發(fā)明雙片旋磁基片環(huán)行器基本結(jié)構(gòu)；

圖2為本發(fā)明單片旋磁基片環(huán)行器基本結(jié)構(gòu)；

圖3(a)為本發(fā)明的環(huán)行器在剖視角度的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)；

圖3(b)為本發(fā)明中金屬腔體的底座在俯視角度的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)示意圖；

圖4為本發(fā)明介質(zhì)卡槽組成結(jié)構(gòu)三維示意圖；

圖5為本發(fā)明帶定位凹槽的環(huán)行器優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

一種大功率環(huán)行器，包括金屬腔體1、鐵氧體旋磁基片2和介質(zhì)卡槽3；金屬腔體1包括上蓋、底座，上蓋和底座上鏡面對稱位置有凹槽，上蓋安裝在底座上，上蓋與底座之間形成空腔；鐵氧體旋磁基片2位于介質(zhì)卡槽3內(nèi)；介質(zhì)卡槽3安裝在金屬腔體1的空腔中，位于上蓋和底座的凹槽之間，使得鐵氧體旋磁基片2貼緊金屬腔體1。

金屬腔體1底座的凹槽底面中部有凸起的金屬匹配臺5，介質(zhì)卡槽3安裝在金屬匹配臺5上。金屬腔體1上蓋與金屬腔體1底座上的金屬匹配臺5對應(yīng)位置處有凸起的金屬匹配臺5。

介質(zhì)卡槽3包括n個同心的介質(zhì)圓環(huán)、介質(zhì)圓柱，n個介質(zhì)圓環(huán)依次套在介質(zhì)圓柱外，介質(zhì)圓環(huán)的相對介電常數(shù)從最外層到中心逐漸增大，介質(zhì)圓柱的相對介電常數(shù)大于n個介質(zhì)圓環(huán)的相對介電常數(shù)；其中，n為正整數(shù)。介質(zhì)卡槽3的材料為單晶材料、氮化硼、聚酰亞胺或陶瓷。

如圖1、圖2所示，鐵氧體旋磁基片2安裝在介質(zhì)圓環(huán)內(nèi)，數(shù)量為一片或兩片，位于介質(zhì)圓柱一端或分別位于介質(zhì)圓柱兩端，與金屬腔體1上蓋或底座貼合。

如圖5所示，金屬匹配臺5中部可以加工用于卡住介質(zhì)卡槽3的圓形的定位凹槽4，定位凹槽4深度不大于0.5mm。

一種大功率環(huán)行器的抗微放電設(shè)計方法，包括步驟如下：

步驟一、給定環(huán)行器的中心工作頻率fr、工作帶寬bw、各端口隔離度、微放電功率要求p、金屬腔體1的材料及金屬腔體1的二次電子發(fā)射特性參數(shù)、鐵氧體旋磁基片2的電性能參數(shù)及其二次電子發(fā)射特性參數(shù)；

所述鐵氧體旋磁基片2的電性能參數(shù)包括相對介電常數(shù)εr、相對磁導(dǎo)率μr、損耗角正切tanδ、線寬lw、磁飽和張量ms和二次電子發(fā)射特性參數(shù)、外加磁偏置方向和大小b0；

所述二次電子發(fā)射特性參數(shù)包括電子垂直入射時的最大二次電子發(fā)射系數(shù)δmax、δmax對應(yīng)的電子入射能量emax、二次電子發(fā)射系數(shù)為1時對應(yīng)的最小電子入射能量emin。

步驟二、根據(jù)步驟一給定的環(huán)行器的中心工作頻率fr、工作帶寬bw、各端口隔離度和鐵氧體旋磁基片2的電性能參數(shù)，結(jié)合描述電磁場演化的麥克斯韋方程組，獲得環(huán)行器的結(jié)構(gòu)尺寸；

如圖3(a)、圖3(b)所示，所述環(huán)行器的結(jié)構(gòu)尺寸包括金屬腔體1的端口寬度w、空腔高度h，鐵氧體旋磁基片2的半徑r1、高度h1，介質(zhì)卡槽3的半徑r0、高度hr，定位凹槽4的半徑r0、高度h0，金屬匹配臺5的半徑r2、高度h2。

步驟三、根據(jù)步驟二確定的環(huán)行器結(jié)構(gòu)尺寸，建立環(huán)行器的三維幾何模型，將環(huán)行器的三維幾何模型劃分為m個網(wǎng)格單元，運用描述電磁場演化的麥克斯韋方程組，確定環(huán)行器三維幾何模型中每個各網(wǎng)格單元處的電磁場分布；m為正整數(shù)；

步驟四、根據(jù)步驟三中獲得的環(huán)行器三維幾何模型中的電磁場分布，確定最強(qiáng)場強(qiáng)位置，確定介質(zhì)卡槽3的安裝位置并確定介質(zhì)卡槽3中介質(zhì)圓環(huán)的層數(shù)n；

步驟五、重復(fù)調(diào)整環(huán)行器的結(jié)構(gòu)尺寸并重新搭建環(huán)行器的三維幾何模型，運用描述電磁場演化的麥克斯韋方程組對重新建立的環(huán)行器三維幾何模型進(jìn)行電磁場仿真，并結(jié)合步驟一中確定的金屬腔體1的材料及其二次電子發(fā)射特性參數(shù)、鐵氧體旋磁基片2的二次電子發(fā)射特性參數(shù)，運用描述電磁場演化的麥克斯韋方程組和描述電子運動的洛侖茲方程組，計算獲得環(huán)行器的微放電功率閾值，直至電磁場仿真結(jié)果中的中心工作頻率等于步驟一中給定的中心工作頻率fr、工作帶寬大于或等于步驟一中給定的工作帶寬bw、各端口隔離度小于或等于步驟一中給定的各端口隔離度，環(huán)行器的微放電功率閾值大于或等于步驟一中給定的微放電功率要求p。

實施例一：大功率y型結(jié)環(huán)行器及其抗微放電設(shè)計方法

如圖5所示，所述大功率環(huán)行器包括金屬腔體1、鐵氧體旋磁基片2和介質(zhì)卡槽3，其中在金屬腔體1上加工金屬匹配臺5和定位凹槽4，其中鐵氧體旋磁基片2位于介質(zhì)卡槽3內(nèi)，介質(zhì)卡槽3將鐵氧體旋磁基2片卡緊在金屬腔體1內(nèi)；金屬腔體1的上蓋安裝在底座上，上蓋與底座之間形成空腔，空腔包括一個加載鐵氧體旋磁基片2的中心區(qū)域及三個端口，三個端口分別與外部線路連接，當(dāng)一定頻率的電磁波入射到一個端口，則該電磁波由環(huán)行的下一端口輸出，對于第三端口具有一定的隔離度。

采用所述大功率環(huán)行器及其抗微放電設(shè)計方法，進(jìn)行微放電抑制環(huán)行器優(yōu)化設(shè)計，包括如下步驟：

(1)給定環(huán)行器的中心工作頻率fr為3.25ghz、工作帶寬bw為50mhz、各端口隔離度為-25db、微放電功率要求p為1000w、金屬腔體1的材料為銀及其二次電子發(fā)射特性參數(shù)，鐵氧體旋磁基片2的電性能參數(shù)及其二次電子發(fā)射特性參數(shù)；

鐵氧體旋磁基片2的電性能參數(shù)包括相對介電常數(shù)εr為13、相對磁導(dǎo)率μr為1、損耗角正切tanδ為0.009、線寬lw為2、磁飽和張量ms為600g、外加磁偏置方向為垂直于鐵氧體旋磁基片2，外加磁偏置大小b0為0；

鐵氧體旋磁基片2的二次電子發(fā)射特性參數(shù)包括電子垂直入射時的最大二次電子發(fā)射系數(shù)δmax為2.4、垂直入射時的最大二次電子發(fā)射系數(shù)δmax對應(yīng)能量emax為300ev、二次電子發(fā)射系數(shù)為1時最小對應(yīng)能量emin為30ev；

金屬腔體1的二次電子發(fā)射特性參數(shù)包括電子垂直入射時的最大二次電子發(fā)射系數(shù)δmax為2.2、對應(yīng)電子入射能量emax為165ev、二次電子發(fā)射系數(shù)為1時對應(yīng)的最小電子入射能量emin為30ev；

(2)根據(jù)步驟(1)給定環(huán)行器的中心工作頻率fr、工作帶寬bw、各端口隔離度和鐵氧體旋磁基片2的電性能參數(shù)，結(jié)合描述電磁場演化的麥克斯韋方程組，確定環(huán)行器的結(jié)構(gòu)尺寸(張國榮等，微波鐵氧體材料與器件，電子工業(yè)出版社，1993年)，環(huán)行器的結(jié)構(gòu)尺寸包括金屬腔體1的端口寬度w、空腔高度h，鐵氧體旋磁基片2的半徑r1、高度h1，介質(zhì)卡槽3的半徑r0、高度hr，定位凹槽4的半徑r0、高度h0，金屬匹配臺5的半徑r2、高度h2；其中，hr＝h-h2+h0；

(3)根據(jù)步驟(2)確定的環(huán)行器結(jié)構(gòu)尺寸，建立環(huán)行器的三維幾何模型，將建立的三維幾何模型分解成若干個網(wǎng)格單元，運用描述電磁場演化的麥克斯韋方程組，確定環(huán)行器三維幾何模型中每個各網(wǎng)格單元處的電磁場分布；

(4)根據(jù)步驟(3)所述環(huán)行器三維幾何模型中的電磁場分布確定最強(qiáng)場強(qiáng)位置，確定介質(zhì)卡槽3的安裝位置并確定介質(zhì)卡槽3中介質(zhì)圓環(huán)的層數(shù)，所述介質(zhì)卡槽3位于金屬腔體1之間，將鐵氧體旋磁基片2包含在介質(zhì)卡槽3內(nèi)并使鐵氧體旋磁基片2的一面與金屬腔體1貼合；如圖4所示，介質(zhì)卡槽3包含n個同心介質(zhì)圓環(huán)、介質(zhì)圓柱，其中，在本實施例中n＝1，第i個介質(zhì)圓環(huán)的相對介電常數(shù)為εri(最外側(cè)的介質(zhì)圓環(huán)為第1個介質(zhì)圓環(huán)，依次向中心編號)，εr1＝2.1；中心處介質(zhì)圓柱的相對介電常數(shù)εr0＝5.5。

(5)重復(fù)調(diào)整環(huán)行器的結(jié)構(gòu)尺寸，并重新搭建環(huán)行器三維幾何模型，采用商業(yè)電磁仿真軟件hfss運用描述電磁場演化的麥克斯韋方程組對所述環(huán)行器三維幾何模型進(jìn)行電磁場仿真，使電磁場仿真結(jié)果中的中心工作頻率等于步驟(1)中給定的環(huán)行器的中心工作頻率fr、工作帶寬大于或等于步驟(1)給定的工作帶寬bw、各端口隔離度小于或等于步驟(1)給定的各端口隔離度；并結(jié)合步驟(1)確定的金屬腔體1的材料及其二次電子發(fā)射特性參數(shù)、鐵氧體旋磁基片2的二次電子發(fā)射特性參數(shù)，采用商業(yè)軟件cst的粒子模擬工作室運用描述電磁場演化的麥克斯韋方程組和描述電子運動的洛侖茲方程組，計算獲得環(huán)行器的微放電功率閾值為3200w，遠(yuǎn)大于步驟(1)給定的微放電功率要求p。

實現(xiàn)大功率環(huán)行器抗微放電設(shè)計，大功率環(huán)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)值如表1所示；

采用本發(fā)明方法設(shè)計的高微放電閾值環(huán)行器與傳統(tǒng)設(shè)計環(huán)行器電性能參數(shù)與微放電閾值對比如表2所示。

表1大功率環(huán)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)值

表2環(huán)行器微放電優(yōu)化設(shè)計實驗測試結(jié)果對比

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。