一种快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法和系统与流程

1.本发明属于空间微波技术领域，尤其涉及一种快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法和系统。


背景技术：

2.航天器大功率微波部件在发射和在轨运行的过程中，在一定的气压条件下(通常为1pa至数千pa)引发的微波射频击穿效应是影响航天器有效载荷长寿命、高可靠运行的高风险因素，也是大功率输入下通信、数传和导航等航天器的单点失效环节。因此，对于航天器大功率微波部件，尤其是使用最为广泛的同轴连接器而言，低气压放电阈值分析对其地面充分验证至关重要。


技术实现要素：

3.本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法和系统，基于低气压分析等效模型的内部电场分布的解析表达，结合电子数连续性方程和低气压放电边界条件，成功实现了毫米波同轴连接器低气压放电阈值的快速计算和确定。
4.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法，包括：
5.根据实体同轴连接器的物理结构，建立低气压分析等效模型；
6.确定低气压分析等效模型中等效内导体的电位和等效外导体的电位；
7.根据确定的等效内导体的电位和等效外导体的电位，采用柱坐标系下的拉普拉斯方程，确定低气压分析等效模型的内部电场分布；
8.确定自由电子在电场作用下与气体分子碰撞的电子数连续性方程；
9.确定低气压放电边界条件；
10.根据确定的低气压分析等效模型的内部电场分布和低气压放电边界条件，求解电子数连续性方程，得到同轴连接器低气压放电阈值，实现同轴连接器低气压放电阈值的快速确定。
11.在上述快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法中，根据实体同轴连接器的物理结构，建立低气压分析等效模型，包括：
12.确定实体同轴连接器的物理结构：内导体外半径a，外导体内半径b，介质相对介电常数ε
r
，介质内部具有n个半径r1、沿轴心均匀分布的气体柱，气体柱与实体同轴连接器轴心的间距为r；
13.根据确定的实体同轴连接器的物理结构，建立低气压分析等效模型；其中，低气压分析等效模型，包括：等效内导体、等效外导体、等效介质、等效气体柱；等效内导体和等效外导体间依次填充等效介质、等效气体柱和等效介质；等效内导体外半径a
′
＝a，等效外导体内半径b
′
＝b，等效介质相对介电常数ε
′
r
＝ε
r
，等效气体柱的平均几何半径r
′
＝r，等效气
体柱的内外半径差
14.在上述快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法中，低气压分析等效模型中等效内导体的电位v
n
＝v0，低气压分析等效模型中等效外导体的电位v
w
＝0；其中，v0表示实体同轴连接器内导体输入电压。
15.在上述快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法中，根据确定的等效内导体的电位和等效外导体的电位，采用柱坐标系下的拉普拉斯方程，确定低气压分析等效模型的内部电场分布，包括：
16.根据柱坐标系下的拉普拉斯方程，确定低气压分析等效模型内部电位分布为：
[0017][0018]
其中，ρ表示柱坐标系o
‑
xyz下任意位置在柱坐标系的xy平面上的投影点离坐标系的z轴的轴向距离，表示柱坐标系o
‑
xyz下任意位置在柱坐标系的xy平面上的投影点与坐标系的x轴的夹角，φ表示低气压分析等效模型内部任意位置的电位；
[0019]
根据电位在边界上为定值，确定边界条件：
[0020][0021]
根据式(1)和式(2)，确定低气压分析等效模型内部电位分布为：
[0022][0023]
其中，a1、a2、a3、b1、b2和b3均为常数变量；
[0024]
根据介质气体界面的电位和法向电位移矢量连续，得到a1、a2、a3、b1、b2和b3之间的关系如下：
[0025][0026]
根据式(1)～(4)，得到低气压分析等效模型的内部电场e的分布如下：
[0027][0028]
其中，j表示虚数单位，k表示介质中的传播常数，z表示柱坐标系中沿z轴的坐标位置，k0表示空气中的传播常数。
[0029]
在上述快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法中，自由电子在电场作用下与气体分子碰撞的电子数连续性方程表达式如下：
[0030][0031]
其中，n
e
表示电子数密度，d表示电子扩散系数，v
i
表示气体分子的电离频率，v
a
表示气体分子的吸附频率，t表示时间变量。
[0032]
在上述快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法中，低气压放电边界条件如下：
[0033][0034]
在上述快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法中，根据确定的低气压分析等效模型的内部电场分布和低气压放电边界条件，求解电子数连续性方程，得到同轴连接器低气压放电阈值，包括：
[0035]
根据式(5)～(7)，求解得到同轴连接器低气压放电阈值p
c
为：
[0036][0037]
其中，e
rms
表示电场有效值。
[0038]
在上述快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法中，实体同轴连接器的气体类型为空气，气压为p。
[0039]
在上述快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法中，
[0040][0041][0042]
[0043]
其中，e
e
表示等效直流电场，ω表示电场的角频率，v
c
表示动量转移碰撞频率，v
c
＝5.3
×
109p。
[0044]
相应的，本发明还公开了一种快速确定同轴连接器低气压放电阈值的系统，包括：
[0045]
模型建立模块，用于根据实体同轴连接器的物理结构，建立低气压分析等效模型；
[0046]
第一确定模块，用于确定低气压分析等效模型中等效内导体的电位和等效外导体的电位；根据确定的等效内导体的电位和等效外导体的电位，采用柱坐标系下的拉普拉斯方程，确定低气压分析等效模型的内部电场分布；
[0047]
第二确定模块，用于确定自由电子在电场作用下与气体分子碰撞的电子数连续性方程；确定低气压放电边界条件；
[0048]
解算模块，用于根据确定的低气压分析等效模型的内部电场分布和低气压放电边界条件，求解电子数连续性方程，得到同轴连接器低气压放电阈值，实现同轴连接器低气压放电阈值的快速确定。
[0049]
本发明具有以下优点：
[0050]
(1)本发明公开了一种快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法和系统，基于低气压分析等效模型的内部电场分布的解析表达，结合电子数连续性方程和低气压放电边界条件，成功实现了毫米波同轴连接器低气压放电阈值的快速计算和确定。
[0051]
(2)本发明公开了一种快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法和系统，首次提出了同轴连接器电磁场分布等效模型分析法，解决了同轴连接器实际物理结构内部电磁场的分析与计算难题。
[0052]
(3)本发明公开了一种快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法和系统，解决了同轴连接器低气压放电阈值无法计算的难题。适用于空间应用中大功率微波部件的分析，具有便捷、快速、准确性高的特性，具有极大的应用前景与广阔的市场。
附图说明
[0053]
图1是本发明实施例中一种快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法的步骤流程图；
[0054]
图2是本发明实施例中一种实体同轴连接器的物理模型示意图；
[0055]
图3是本发明实施例中一种低气压分析等效模型的示意图。
具体实施方式
[0056]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
[0057]
如图1，在本实施例中，该快速确定同轴连接器低气压放电阈值的方法，包括：
[0058]
步骤101，根据实体同轴连接器的物理结构，建立低气压分析等效模型。
[0059]
在本实施例中，如图2，实体同轴连接器的物理结构具体可以包括：内导体外半径a，外导体内半径b，介质相对介电常数ε
r
，介质内部具有n个半径r1、沿轴心均匀分布的气体柱，气体柱与实体同轴连接器轴心的间距为r。进而，根据实体同轴连接器的物理结构，可以
建立低气压分析等效模型，如图3所示。其中，低气压分析等效模型包括：等效内导体、等效外导体、等效介质、等效气体柱；等效内导体和等效外导体间依次填充等效介质、等效气体柱和等效介质；等效内导体外半径a
′
＝a，等效外导体内半径b
′
＝b，等效介质相对介电常数ε
′
r
＝ε
r
，等效气体柱的平均几何半径r
′
＝r，等效气体柱的内外半径差
[0060]
步骤102，确定低气压分析等效模型中等效内导体的电位和等效外导体的电位。
[0061]
在本实施例中，可以确定低气压分析等效模型中等效内导体的电位v
n
＝v0，低气压分析等效模型中等效外导体的电位v
w
＝0。
[0062]
步骤103，根据确定的等效内导体的电位和等效外导体的电位，采用柱坐标系下的拉普拉斯方程，确定低气压分析等效模型的内部电场分布。
[0063]
在本实施例中，低气压分析等效模型的内部电场分布的确定流程如下：
[0064]
首先，根据柱坐标系下的拉普拉斯方程，确定低气压分析等效模型内部电位分布为：
[0065][0066]
其中，ρ表示柱坐标系o
‑
xyz下任意位置在柱坐标系的xy平面上的投影点离坐标系的z轴的轴向距离，表示柱坐标系o
‑
xyz下任意位置在柱坐标系的xy平面上的投影点与坐标系的x轴的夹角，φ表示低气压分析等效模型内部任意位置的电位。
[0067]
其次，根据电位在边界上为定值，确定边界条件：
[0068][0069]
然后，根据式(1)和式(2)，确定低气压分析等效模型内部电位分布为：
[0070][0071]
其中，a1、a2、a3、b1、b2和b3均为常数变量。
[0072]
进一步的，根据介质气体界面的电位和法向电位移矢量连续，得到a1、a2、a3、b1、b2和b3之间的关系如下：
[0073][0074]
最后，根据式(1)～(4)，得到低气压分析等效模型的内部电场e的分布如下：
[0075][0076]
其中，j表示虚数单位，k表示介质中的传播常数，z表示柱坐标系中沿z轴的坐标位置，k0表示空气中的传播常数。
[0077]
步骤104，确定自由电子在电场作用下与气体分子碰撞的电子数连续性方程。
[0078]
在本实施例中，自由电子在电场作用下与气体分子碰撞的电子数连续性方程表达式如下：
[0079][0080]
其中，n
e
表示电子数密度，d表示电子扩散系数，v
i
表示气体分子的电离频率，v
a
表示气体分子的吸附频率，t表示时间变量。
[0081]
步骤105，确定低气压放电边界条件。
[0082]
在本实施例中，低气压放电边界条件如下：
[0083][0084]
步骤106，根据确定的低气压分析等效模型的内部电场分布和低气压放电边界条件，求解电子数连续性方程，得到同轴连接器低气压放电阈值，实现同轴连接器低气压放电阈值的快速确定。
[0085]
在本实施例中，可以根据式(5)～(7)，求解得到同轴连接器低气压放电阈值p
c
为：
[0086][0087]
其中，e
rms
表示电场有效值。
[0088]
需要说明的是，在本实施例中，等效气体柱中的气体类型为空气，气压为p。
[0089]
其中，e
e
表示等效直流电场，ω表示电场的角频率，v
c
表示动量转移碰撞频率，v
c
＝5.3
×
109p。
[0090]
在上述实施例的基础上，下面结合两个具体实例进行说明。
[0091]
毫米波2.92mm介质半填充同轴连接器低气压放电效应功率阈值的确定
[0092]
1)确定毫米波2.92mm介质半填充同轴连接器的物理结构：内导体外半径a＝
0.285mm，外导体内半径b＝1.25mm，介质相对介电常数ε
r
＝3.5，介质内部具有n＝6个半径r1＝0.285mm、沿轴心均匀分布的气体柱，气体柱与同轴连接器轴心的间距为r＝0.8mm。此外，该毫米波2.92mm介质半填充同轴连接器内导体输入电压为v0，工作频率f0＝25ghz，气体类型为空气，气压为p。则，建立的低气压分析等效模型如下：等效内导体和等效外导体间依次填充等效介质、等效气体柱和等效介质；等效内导体外半径a
′
＝a＝0.285mm，等效外导体内半径b
′
＝b＝1.25mm，等效介质相对介电常数ε
′
r
＝ε
r
＝3.5，等效气体柱的平均几何半径r
′
＝r＝0.8mm，等效气体柱的内外半径差
[0093]
2)通过上述步骤102～103，得到低气压分析等效模型的内部电场分布：
[0094][0095]
在获得毫米波2.92mm介质半填充同轴连接器对应的低气压分析等效模型的内部电场分布基础上，进一步研究该毫米波2.92mm介质半填充同轴连接器低气压放电效应物理演变过程，以得到低气压放电阈值。
[0096]
对于一定气压和一定输入功率的工作环境下，空气组分主要为氧气和氮气，自由电子在电磁场的作用下获得加速，与氧气或氮气分子发生碰撞，被气体分子吸附或者将气体分子电离，产生二次电子。当气体分子被电子反复碰撞电离，并使得产生的二次电子呈现逐渐增加的趋势时，将发生电子雪崩放电，即低气压放电效应。因此，将发生低气压放电效应的阈值边界条件定义为电子数密度随时间变化率为零。
[0097]
3)根据确定的低气压分析等效模型的内部电场分布和低气压放电边界条件，求解电子数连续性方程，得到该毫米波2.92mm介质半填充同轴连接器低气压放电阈值。
[0098]
自由电子在电场作用下与气体分子碰撞的电子数连续性方程表达式如下：
[0099][0100]
其中，
[0101]
e
e
表示等效直流电场，v
c
＝5.3
×
109p。
[0102]
假设d和v
a
在空间内均为常量，而v
i
与微波电场幅值呈幂指数关系
其中，e0表示自由空间内的最大电场值；v
i0
表示自由空间内的最大电场值对应的空气气体分子的电离频率；β为幂指数，与气体类型有关(如，气体类型为空气时，β为＝5.33)。
[0103]
连续波激励条件下，只要电子的产生率略大于电子损失率，就可能触发低气压放电现象.因此，进一步将低气压放电边界条件定义为
[0104]
最后，求解得到该毫米波2.92mm介质半填充同轴连接器低气压放电阈值p
c
为：
[0105][0106]
当p＝30torr时，p
c
＝1073w。
[0107]
在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种快速确定同轴连接器低气压放电阈值的系统，包括：模型建立模块，用于根据实体同轴连接器的物理结构，建立低气压分析等效模型；第一确定模块，用于确定低气压分析等效模型中等效内导体的电位和等效外导体的电位；根据确定的等效内导体的电位和等效外导体的电位，采用柱坐标系下的拉普拉斯方程，确定低气压分析等效模型的内部电场分布；第二确定模块，用于确定自由电子在电场作用下与气体分子碰撞的电子数连续性方程；确定低气压放电边界条件；解算模块，用于根据确定的低气压分析等效模型的内部电场分布和低气压放电边界条件，求解电子数连续性方程，得到同轴连接器低气压放电阈值，实现同轴连接器低气压放电阈值的快速确定。
[0108]
对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
[0109]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0110]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。