一种大功率环行器及其抗微放电设计方法技术

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)。本发明专利技术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。

A high power circulator and its design method for anti micro discharge

A high power circulator comprises a metal cavity (1), ferrite gyromagnetic substrate (2) and a media card slot (3); metal cavity (1) comprises an upper cover, a base, an upper cover and a base on the mirror symmetry position with a groove on the cover is installed on the base, forming a cavity between the upper cover and the base; the ferrite gyromagnetic substrate (2) in the media card slot (3); media card slot (3) is arranged in a metal cavity (1) in a cavity between the upper cover and the groove of the base, the ferrite gyromagnetic substrate (2) close to the metal the cavity (1). The method of the invention firstly through the preliminary design optimization of electric performance will focus on the field of strongest gyromagnetic substrate area, and then a dielectric constant with the spatial variation in the region loaded multilayer concentric ring dielectric media card slot, and then further optimize electrical performance and micro discharge simulation, micro discharge electron trajectory in meet the actual blocking the electric performance needs of the premise, effectively improve the micro discharge threshold power.

【技术实现步骤摘要】
一种大功率环行器及其抗微放电设计方法
本专利技术涉及一种环行器及其抗微放电设计方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术解决方案是：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fr、工作带宽BW、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fr、工作带宽BW、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fr、工作带宽大于或等于步骤一中给定的工作带宽BW、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εr、相对磁导率μr、损耗角正切tanδ、线宽LW、磁饱和张量MS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δmax、δmax对应的电子入射能量Emax、二次电子发射系数为1时对应的最小电子入射能量Emin。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hr，定位凹槽的半径r0、高度h0，金属匹配台的半径r2、高度h2。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术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)本专利技术的方法提出了由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)本专利技术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为本专利技术双片旋磁基片环行器基本结构；图2为本专利技术单片旋磁基片环行器基本结构；图3(a)为本专利技术的环行器在剖视角度的结构尺寸参数；图3(b)为本专利技术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为本专利技术介质卡槽组成结构三维示意图；图5为本专利技术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fr、工作带宽BW、各端口隔离度、微放电功率要求本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)。

【技术特征摘要】
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fr、工作带宽BW、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fr、工作带宽BW...

【专利技术属性】
技术研发人员：李韵，崔万照，贺永宁，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61