微波部件的微放电效应仿真演示

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来源 FindRF
 
在上一篇《微波部件的微放电效应简介及其仿真》中已经对微放电效应的基本概念和仿真方法进行了简要介绍。微放电效应限制了星载微波部件的功率容量,因此需要努力规避,或称为微放电效应的抑制。上文已经提到微放电效应的形成需要满足几个主要的因素:微波部件内部的场强够大、真空度要足够(或者说电子平均自由行程较大)、腔壁二次电子发射系数大于1。因此,微放电效应的抑制也基本上是从破坏这几个主要诱因出发。想要较为深刻地理解微放电效应,绕不开二次电子发射的问题,因此下面简介下二次电子发射。
 
上次曾经提到,二次电子发射是引起微放电效应的主要原因。实际上,电子入射固体材料后可能引起许多物理过程,比如下图所示的:背散射电子、特征X射线、二次电子、俄歇电子等。入射电子能量、固体材料表层的元素组成、微观结构及表面形貌等因素共同决定了电子入射引起的物理效应。在微放电效应中,入射电子的能量通常不会超过几keV,关注的对象一般限于二次电子和背散射电子。在微放电效应的研究中,常常将二次电子和背散射电子统称为二次电子。
 
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由于微放电效应是微波部件腔体内电子与微波场共振引起电子倍增的现象,因此从微放电效应的数值模拟角度来看,只需知道一定参数的入射电子会引起多少二次电子即可,并不关心入射电子与材料作用的微观过程。衡量材料的二次电子发射特性的参数是二次电子发射系数(secondary electron emission coefficient),亦有人称为二次电子发射产额(secondary electron yield)。为了更明确地表明包含了背散射电子成分,更为准确的表述是总二次电子发射产额(total secondary electron yield,简称TSEY)。当材料属性不变时,TSEY由入射电子的入射角度(定义为入射矢量所在直线与材料表面法线的夹角,位于0~90°之间)和入射能量决定,其典型规律如下图所示:入射角度增加引起TSEY增加,入射能量增加则引起TSEY先增后减,亦即TSEY存在一个最大值。显然,严格来说,TSEY并非一个数而是一组数。实际中经常碰到的说法“某材料TSEY为XX”,实际上说的是该材料的TSEY最大值为XX。
 
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在微放电研究历史上,影响较大的解析模型之一是上世纪五十年代Hatch和Williams提出的模型(下文称之为HW模型,文献中亦称为常数理论)。这个理论较好地描述了平行板结构的微放电过程。对于如下图所示的平行板结构(上下板之间施加交流信号),在仅考虑垂直于极板方向的电场力作用时(上下板之间的电场随时间变化,但是始终与x轴方向平行),电子的运动方程为:
 
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在实际的工程应用中,除了关心阈值功率外,为了便于改进,还需知道发生微放电效应的具体位置。SPARK3D软件可以观察微波部件内部电子数目及位置随时间演变的过程,主要操作过程如下图所示:首先双击左侧菜单栏中的VideoMultipactorConfig 1,在弹出的窗口中设置馈入微波部件的功率,最后点击run,完成之后即可得到动画演示过程。
 
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动画演示过程可以保存为动画格式(比如ogv, avi等)也可保存为jpg等图片格式。如果设置的馈入功率未达到放电阈值功率,则可以看到电子数逐渐减少;反之,如果达到了阈值功率,则可以观察到电子数逐渐增多。以下两幅图分别展示了这两种情形。对于一个复杂的微波部件而言,电子比较集中的区域表示是容易发生放电的区域,需要采取一定的措施来改进。
 
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下面以矩形波导为例,通过仿真验证微放电阈值与fd乘积的关系。仿真模型中的二次电子发射材料选择aluminium(TOR-2014),波导长度设置为波导宽度的2倍,通过设置波导高度来使得不同频段的波导具有相同的fd乘积,具体波导尺寸及工作频点、仿真得到的阈值功率如下表所示:在fd乘积为15 GHz*mm时,仿真得到的微放电阈值功率分布在66.9~68.3 dBm的范围内,阈值功率的均值为67.7 dBm,标准偏差为0.4 dB,且总体趋势是频率越高则阈值越大。因此,可以认为前述HW模型的预测基本正确,且存在一定的误差。
 
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最后,简介一下存在直流偏置磁场时的微放电模拟。在微放电仿真参数设置界面的左下角的DC Fields区域,可以设置直流磁场/电场。
 
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在接下来的仿真中,扁平波导的宽边平行于x轴,高所在边平行于y轴,长所在边平行于z轴,依次观察了x, y方向均匀磁场对阈值的影响。
 
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依据电动力学的相关理论,电子在磁场中运动时,倾向于发生绕磁力线的螺旋运动。因此可以预计,当外加磁场平行于y轴时,波导内的电子仍以碰撞在上下壁为主,其微放电行为与没有磁场的情形相比可能并无多大差别;而当外加磁场平行于x轴时,波导内的电子将在螺旋运动模式下倾向于朝向侧壁移动,此时电子与器壁的碰撞可能不再以上下壁碰撞为主,由于侧壁附近场强较弱,所以磁场力将电子“拉”到弱场区后,器件的放电阈值会增大。
 
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不同大小、不同方向均匀磁场对放电阈值的影响如下表所示。对于y方向磁场的情形,可以看到磁场增大后,阈值略微有所下降,这可能是磁场的存在导致的电子螺旋运动,使得电子与器壁碰撞时的入射角增大,最终更易引发放电。对于x方向磁场的情形,可以发现随着磁场增加,阈值并非单调变化,当磁场强度达到1T时,阈值功率超过了100 MW,可以认为此时完全抑制了微放电效应;当磁场强度为0.5T时,阈值功率仅为1894 W。实际上,电子回旋运动的圆周半径反比于磁场强度,只有磁场足够大时,回旋运动的半径才足够小,电子才能被“安全地拉向侧壁”而提高阈值,否则可能导致电子以较大入射角与上下壁碰撞,反而拉低了阈值。总而言之,通过外加磁场进行微放电效应抑制时,需要谨慎选择磁场方向和大小。值得一提的是,采用磁场抑制微放电效应时,需要额外的设施来提供偏置磁场,这对于十分关注系统重量的卫星应用来说可能是一个挑战。微放电效应的抑制还有许多其它途径,后续再逐步交流。
 
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综上所述,本文简介了微波部件微放电效应的以下几个方面:二次电子发射、平行板结构的微放电经典解析理论、微放电仿真后观察电子时空演变的方法、不同频段波导但具有相同fd乘积时的阈值功率仿真结果以及存在直流偏置磁场时的阈值仿真结果。
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微波部件的微放电效应仿真演示

在上一篇《微波部件的微放电效应简介及其仿真》中已经对微放电效应的基本概念和仿真方法进行了简要介绍。微放电效应限制了星载微波部件的功率容量,因此需要努力规避,或称为微放电效应的抑制。上文已经提到微放电效应的形成需要满足几个主要的因素:微波部件内部的场强够大、真空度要足够(或者说电子平均自由行程较大)、腔壁二次电子发射系数大于1。因此,微放电效应的抑制也基本上是从破坏这几个主要诱因出发。想要较为深刻地理解微放电效应,绕不开二次电子发射的问题,因此下面简介下二次电子发射。

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