专利名称：一种同轴谐振器产品微放电阈值的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种同轴谐振器产品微放电阈值的设计方法。
背景技术：
要求承受真空大功率的同轴形式滤波器和多工器，位于高功率放大器之后，其功能是将经过高功率放大器放大后的信号提取或合成，去除谐波和杂波后，送往天线馈源系统实现下行发射。其性能的好坏直接影响着系统的性能，甚至使用。在卫星通信系统中，大功率的滤波器件是不可或缺的无源部件。随着通信卫星事业的迅猛发展和科学技术的不断进步，星上载荷的能力不断增强，提供的可用能源增加，效率提高，发射功率有明显提升。对功率放大部件的滤波部件的真空功率承受能力要求也越高。特别是使用同轴谐振器形式的L，S频段，频率低更容易产生微放电。在研制这类大功率无源产品时，如果能准确估计设计出来的产品微放电阈值，对系统的可靠性预估至关重要，同时还可以根据相关标准减免地面微放电试验，降低研制成本。目前国内预估同轴谐振器微放电阈值，是借用ESA的基于平行板的“微放电敏感曲线”为设计基准的设计预估方法，预估值与试验值相差很大，有IOdB的误差，指导意义不大。国外的公开文献中关于各种结构微放电阈值的研究并不丰富，针对同轴谐振器的研究只有2011年“第七届空间微波部件微放电，低气压放电及无源互调国际会议论文集”中一篇关于梳线滤波器的仿真研究。但系统深入并有实验支撑，适合工程应用的技术文献或说明并未找到公开资料。
发明内容
本发明的技术解决问题是本发明为了解决同轴谐振器微放电设计基准的问题， 提出了一种同轴谐振器产品微放电阈值的设计方法。采用本发明可以准确估计同轴谐振器产品的微放电阈值，降低了同轴谐振器产品的研制成本。本发明的技术解决方案是—种同轴谐振器产品微放电阈值的设计方法，包括以下步骤步骤I :根据电性能要求设计以同轴谐振器为基本单元的产品电路模型；所述电性能指标包括冋轴谐振器广品的微波状态指标和工作状态指标;步骤2 :根据电路模型实现同轴谐振器产品的结构形式，并对结构形式进行全波电磁仿真验证；步骤3 :确定通过步骤2验证的结构形式的微放电风险敏感区域；步骤4 :采用同轴谐振器微放电敏感曲线，并根据步骤3中确定的微放电风险敏感区域的物理间隙尺寸d和通过该区域的工作频率f，确定同轴谐振器的微放电阈值功率；所述同轴谐振器微放电敏感曲线用于描述d * f 和同轴谐振器微放电阈值功率的关系；步骤5 :若步骤4获得的同轴谐振器产品的微放电阈值功率符合步骤I所述的电性能要求，则完成对同轴谐振器产品的设计；否则，返回步骤2，转换同轴谐振器的结构形式重新实现同轴谐振器产品的电路模型。所述步骤4中建立同轴谐振器微放电敏感曲线的步骤为步骤41 :根据同轴谐振器产品的电性能指标设计选定结构形式的同轴谐振器；步骤42 :确定步骤41得到的同轴谐振器的微放电风险敏感区域；步骤43 :根据步骤42中确定的微放电风险敏感区域的最小间隙；以固定的步进量增加或减少，并在同轴谐振器的电性能指标要求下按照改变后的微放电风险敏感区域的最小间隙重新设计同轴谐振器；步骤44 :对设计出的同轴谐振器产品的试验件进行微放电阈值试验，将获得的每个结构同轴谐振器的微放电阈值试验值拟合为同轴谐振器微放电敏感曲线。所述确定同轴谐振器的微放电风险敏感区域的方法为对谐振腔进行顺序编号， 并根据下式计算谐振腔的储藏能量Wk ；其中，k为谐振腔编号；i为每个谐振腔的电流；％为工作频带的中心频率；按储藏能量大小对谐振腔进行排序，将储藏能量最大的谐振腔确定为功率容量瓶颈谐振腔；对功率容量瓶颈谐振腔中间距较小的部分进行全波电磁仿真分析,并确定功率容量瓶颈谐振腔中的最大电压，所述功率容量瓶颈谐振腔中的最大电压所对应的区域即为同轴谐振器的微放电风险敏感区域。本发明与现有技术相比具有如下优点本发明给出了有实验验证的，微放电设计值与地面实验值误差小于3DB的同轴谐振器产品微放电阈值设计方法。改善了现有技术中的同轴谐振器产品微放电阈值设计与地面实验误差大于IOdB的状态。降低了设计阶段星载同轴谐振器产品微放电风险控制成本。 在准确设计的基础上，可以避免过度加大产品体积重量，降低星载同轴谐振器产品的研制成本和实验成本。同时本发明还给出了准确判断同轴谐振器产品微放电敏感区域的方法，并得到实验验证。改善了同轴谐振器微放电敏感区域位置判断偏差较大，分析重点不明确，设计工作繁杂，效果不确定的现状。利用建立同轴谐振器微放电敏感曲线的步骤得到了可以作为同轴谐振器产品设计基准的同轴谐振器敏感曲线，填补了同轴谐振器微放电设计没有基准的空白。采用同轴谐振器敏感曲线设计的微放电阈值和试验阈值的误差范围经过试验验证小于3dB，达到微放电阈值国际通用工程设计要求。
图I为本发明流程图。
具体实施例方式下面就结合附图对本发明做进一步介绍。如图I所示，本发明的具体步骤如下
步骤I :根据电性能要求设计同轴谐振器产品的电路模型。同轴谐振器产品的电性能要求包括微波状态指标和工作状态指标。以星载输出滤波器为例，其微波状态指标包括工作频率带宽，带内插入损耗，带内回波损耗，带内波动，带外抑制等具体要求。根据滤波器的电性能要求可以得到同轴谐振器物理实现的耦合矩阵，从而可得出同轴谐振器的电路模型。星载输出滤波器的工作状态指标包括产品必须经历火箭发射过程，工作环境为真空状态，产品在大功率连续波状态下完成选频工作。真空环境和大功率工作状态确定了星载输出滤波器必需考虑微放电风险。步骤2 :根据步骤I中得到的同轴谐振器产品的电路模型实现同轴谐振器产品的结构形式，并对设计结构进行全波电磁仿真验证，若全波电磁仿真通过，则选择的同轴谐振器的结构形式满足要求，转入步骤3。所述同轴谐振器的结构形式即同轴谐振器产品的物理构型。满足步骤I中电性能指标要求的电路模型是可以通过不同的结构形式进行实现。 但是，在具体结构形式的选择方面，需要针对不同的应用要求采用最合适的结构形式方式。 以真空大功率滤波器为例，工作在L，S频段同谐振器是首选。步骤3 :确定步骤2实现的结构形式的同轴谐振器的微放电风险敏感区域。确定微放电风险敏感区域的具体方法如下对同轴谐振器中的谐振腔进行顺序编号，并根据下式计算谐振腔的储藏能量\， 其中，k为谐振腔编号；i为每个谐振腔的电流；Otl为工作频带的中心频率。
L2Wk =」~
2 0按储藏能量大小对谐振腔进行排序，将储藏能量最大的谐振腔确定为功率容量瓶颈谐振腔；对功率容量瓶颈谐振腔中间距较小的部分进行全波电磁仿真分析,并确定功率容量瓶颈谐振腔中的最大电压，所述功率容量瓶颈谐振腔中的最大电压所对应的区域即为同轴谐振器的微放电风险敏感区域。步骤4 :采用已建立的同轴谐振器微放电敏感曲线，并根据步骤3中确定的微放电风险敏感区域的物理间隙尺寸d和通过该区域的工作频率f，确定同轴谐振器的微放电阈值功率；所述同轴谐振器微放电敏感曲线用于描述d * f 和同轴谐振器微放电阈值功率的关系。全球现有的微放电敏感曲线是ESA以平板为研究对象绘制的。但是，以平板为研究对象的微放电敏感曲线并不适用于同轴谐振器产品。利用ESA的微放电敏感曲线所得到的同轴谐振器的阈值功率与地面试验值相差IOdB以上，不能作为工程指导使用。本发明通过如下步骤获得同轴谐振器的微放电敏感曲线步骤41 :根据同轴谐振器的电性能指标设计选定结构形式的同轴谐振器，其中的结构形式可任意选定。步骤42 :采用与步骤3相同的方法确定在步骤41中得到的同轴谐振器的微放电风险敏感区域。步骤43 :根据步骤42中确定的微放电风险敏感区域的最小间隙；以固定的步进量 (如以0. 5_作为步进量)增加或减少微放电风险敏感区域的最小间隙，并在同轴谐振器的电性能指标要求下按照改变后的微放电风险敏感区域的最小间隙重新设计同轴谐振器；经过此步操作将得到一组微放电风险敏感区域的最小间隙以步进量为间隔的同轴谐振器，由于微放电风险敏感区域的最小间隙不同，因此得到的同轴谐振器的结构也各不相同。步骤44 :对步骤43中得到的同轴谐振器进行实现得到试验件，并对每个试验件分别进行微放电阈值试验，获得针对每个同轴谐振器的微放电阈值试验值，对实验值进行拟合获得同轴谐振器微放电敏感曲线。在完成对同轴谐振器微放电敏感曲线的拟合后，可以再利用以往产品的实验数据和试验件对拟合出的同轴谐振器微放电敏感曲线进行验证，采用本发明给出的同轴谐振器微放电敏感曲线的预测误差范围小于3dB，大幅提高了采用平板为基线的阈值预测精度，填补了同轴谐振器没有微放电设计基准的空白。步骤5 :若步骤4获得的同轴谐振器的微放电阈值功率符合步骤I所述的电性能要求，则完成对同轴谐振器产品的设计；否则，返回步骤2改变结构形式对电路模型重新实现，再次对新结构形式的同轴谐振器产品的设计进行验证。本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
权利要求
1.一种同轴谐振器产品微放电阈值的设计方法，其特征在于包括以下步骤步骤I:根据电性能要求设计以同轴谐振器为基本单元的产品电路模型；所述电性能指标包括冋轴谐振器广品的微波状态指标和工作状态指标;步骤2 :根据电路模型实现同轴谐振器产品的结构形式，并对结构形式进行全波电磁仿真验证；步骤3 :确定通过步骤2验证的结构形式的微放电风险敏感区域；步骤4 :采用同轴谐振器微放电敏感曲线，并根据步骤3中确定的微放电风险敏感区域的物理间隙尺寸d和通过该区域的工作频率f，确定同轴谐振器的微放电阈值功率；所述同轴谐振器微放电敏感曲线用于描述d * f和同轴谐振器微放电阈值功率的关系；步骤5 :若步骤4获得的同轴谐振器产品的微放电阈值功率符合步骤I所述的电性能要求，则完成对同轴谐振器产品的设计；否则，返回步骤2，转换同轴谐振器的结构形式重新实现同轴谐振器产品的电路模型。
2.如权利要求I所述的一种同轴谐振器产品微放电阈值的设计方法，其特征在于所述步骤4中建立同轴谐振器微放电敏感曲线的步骤为步骤41 :根据同轴谐振器产品的电性能指标设计选定结构形式的同轴谐振器；步骤42 :确定步骤41得到的同轴谐振器的微放电风险敏感区域；步骤43 :根据步骤42中确定的微放电风险敏感区域的最小间隙；以固定的步进量增加或减少，并在同轴谐振器的电性能指标要求下按照改变后的微放电风险敏感区域的最小间隙重新设计同轴谐振器；步骤44 :对设计出的同轴谐振器产品的试验件进行微放电阈值试验，将获得的每个结构同轴谐振器的微放电阈值试验值拟合为同轴谐振器微放电敏感曲线。
3.如权利要求I所述的一种同轴谐振器产品微放电阈值的设计方法，其特征在于所述确定同轴谐振器的微放电风险敏感区域的方法为对谐振腔进行顺序编号，并根据下式计算谐振腔的储藏能量Wk ；
全文摘要
本发明公开了一种同轴谐振器产品微放电阈值的设计方法，包括根据电性能要求设计同轴谐振器产品的电路模型的步骤；根据电路模型实现同轴谐振器产品实现结构，并对实现结构进行全波电磁仿真验证的步骤；确定实现结构中微放电风险敏感区域的步骤；利用微放电敏感曲线确定同轴谐振器微放电阈值功率的步骤；对微放电阈值功率进行判断完成或更改实现结构的步骤。采用本发明可以准确估计同轴谐振器产品的微放电阈值，降低了同轴谐振器产品的设计成本。
文档编号G06F17/50GK102593569SQ201210051829
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者唐丹, 张俊, 殷新社, 汪娟, 禹旭敏 申请人:西安空间无线电技术研究所