波导弯头射频击穿的研究

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波导弯头作为微波器件中的重要传输部件,主要应用于高功率微波、毫米波传输系统等相关领域,其主要功能是实现口径方向不一致的微波器件匹配,其性能影响着高功率微波的高效传输。因此,波导弯头射频击穿的研究具有重要意义。本论文对90°波导弯头射频击穿进行探索,主要工作和贡献如下:1. 针对粒子模拟软件CST粒子工作室,对比矩形波导结构射频击穿现象,分析矩形波导电子谐振动力学与敏感性曲线,得出了CST粒子工作室在高功率、高频率下的射频击穿仿真仍存在不足之处,结合CST软件与自行编写的射频击穿仿真程序进行后续模拟。该方法对二次电子的发射能量、发射角度和相位等参数进行随机处理,将CST微波工作室模拟得到的波导弯头电磁场分布加载到计算空间,结合四阶龙格库塔方法和Vaughan的二次电子发射模型,跟踪电子轨迹、平均电子能量、电子数量的变化。2. 建立了一个Ku波段90°矩形波导弯头模型进行射频击穿仿真,通过对比E面弯曲和H面弯曲射频击穿随功率传输大小和旋转半径的变化,分析了电子的轨迹和击穿位置的变化,研究了磁场力和电磁场非均匀分布产生的有质动力对射频击穿的影响。当发生击穿时,E面弯曲矩形波导弯头击穿功率阈值小于H面弯曲矩形波导弯头。3. 对X波段90°常曲率TE11模式圆波导弯头进行仿真,模拟微波功率向GW量级线性变化过程中,水平极化和竖直极化下90°常曲率圆波导弯头内射频击穿过程。通过跟踪电子的轨迹、速度,对比次级电子数量、平均能量、平均产额、统计边界处碰撞次数等参数的变化,分析在同一波导弯头不同极化模式的射频击穿现象。在90°圆波导弯头TE11模式竖直极化下,电子大量汇聚的区域为波导弯曲壁处(弱电场区域),也就是射频击穿的位置。而在90°圆波导TE11模式水平极化下,发生射频击穿的区域为波导的上下极板以及内侧弯曲壁边界处(弱电场区域)。但在两种极化模式下,水平极化的击穿阈值大于竖直极化的击穿阈值,这与以往的高功率实验结果较好吻合,本研究为波导弯头的设计和选择提供了有价值的工程参考。
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