探索微波元器件中的微放电现象及其仿真方法

发布时间：2021-10-08 20:30:05

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

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微波领域中的微放电效应问题一直是一个比较特殊且引人关注的问题。微放电效应，也被称为multipactor，是指在真空条件下工作的微波部件中，由于某种原因（例如宇宙中的辐射），导致部件内部出现少量初始电子。初始电子受到洛伦兹力的作用，在微波场的加速下不断与部件内壁发生共振，进而产生大量的二次电子。这些二次电子再次被加速并轰击部件内壁，形成一个连锁反应，最终导致微波部件内的电子数量急剧增加，影响了部件的正常工作。

在星载微波部件设计验证过程中，微放电问题是必须关注的重要问题之一。然而，处理微放电问题的测试和仿真通常相对复杂，需要使用大功率设备、真空环境以及初始电子的激励等。幸运的是，随着专业软件的发展，现在可以通过模拟方法来解决微放电效应的问题。本文将以矩形波导为例，介绍一种简化的微放电模拟流程。

整体而言，本文介绍的微放电模拟流程如下：首先，使用CST微波工作室进行电磁场仿真，并将结果导入SPARK3D软件进行微放电模拟。

第一步：启动CST软件，选择Microwave & RF/Optical模块中的Circuit & Components模板，然后选择Waveguide Couplers & Dividers。

第二步：完成几何建模，包括一个中间的真空材料长方体表示波导内部，波导宽度为22.86毫米，高度为0.3毫米；上下的PEC材料长方体表示波导上下壁。添加两个波导端口，并设置频率求解范围为8~12 GHz，在10 GHz处添加电场和磁场监视器。需要注意的是，默认的求解器是时域求解器，与后面的SPARK3D不兼容，所以必须使用频域求解器来求解场分布。

第三步：完成仿真后，可以查看S参数和场分布。到此，CST微波工作室的任务完成，接下来将场分布导出给SPARK3D进行微放电模拟。

第四步：使用CST的宏功能将场分布文件导出给SPARK3D：在CST中选择macros->Run Macro->Results->-Import and Export->Export Fields to SPARK3D。

第五步：启动SPARK3D软件。

第六步：点击"New Project"，在弹出的Import file界面选择刚才导出的场分布文件。

第七步：双击"MultipactorConfig 1"，开始设置微放电模拟的参数。

第八步：在MultipactorConfig 1界面中，重要的参数是右上角的Material参数，可以设置微波部件内壁表面材料的二次电子发射特性。软件内置了几种材料的二次电子发射特性供使用，也可以自定义（Custom SEY）。另一个关键参数是右下角的Electron setup，其中的initial number of electron表示初始电子的数量，默认值为300。Power loop部分可用于设置功率扫描模式，扫描策略如下：从设定的初始功率开始进行仿真，如果没有发生放电，则将功率翻倍继续仿真。

第九步：在仿真过程中，我们可以观察到电子数量随时间实时变化的过程。

第十步：仿真结束后，在页面下方可以查看具体的微放电阈值。

第十一步：下面演示材料二次电子发射特性对微放电阈值的影响：在其他设置不变的情况下，将微波部件的材料改为Alodine（这种材料的最大SEY值为2，明显小于前面提到的铝的最大SEY值2.98）。此时的放电阈值为5156W。可见，SEY降低后可以显著提高放电阈值。基于“降低SEY可以提高微放电阈值”的原理，学术界和工业界已经进行了许多研究。

综上所述，本文简要介绍了微波部件微放电效应的基本概念，重点介绍了其仿真模拟方法，供感兴趣的朋友参考。