宇航级无源波导器件的热力学仿真
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发布时间：2024-09-08 01:11
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时间：2024-09-13 03:47
设计和制造能够承受外层空间恶劣环境的组件是一项额外的挑战。在组件到达外太空之前，它们会受到发射时持续的机械振动，并在离开大气层时经历巨大的压差。最后，一旦宇宙飞船到达最终轨道，就需要考虑极端条件。近乎完美的真空、振荡的高温范围以及源自太阳或更远的太阳系的高能粒子等条件。本文将重点关注波导器件的仿真，通过考虑热传导和多重作用等电磁效应，将其设计用于恶劣的外太空环境。
射频 (RF) 波导是一种电力传输线，它沿着导电金属管传输电磁波（通常在 GHz 到太赫兹频率范围内）。与其他类型的传输线（例如用于太空应用的同轴电缆）相比，它们具有许多固有的优点。由于存在额外的介电损耗，尤其是在较高频率下工作时，波导具有比同轴电缆更低的损耗，尤其是在较高频率下工作时，这在卫星功率和链路预算有限的情况下，是一个重要的特性。
缺乏大气衰减也意味着未来可以使用更高的频率，因此可以使用更宽的带宽。由于波导的简单化设计，它已经可以在远远超过 1 THz 的频率下工作，例如 Flann 的亚毫米挤压波导（图 1），它远远超过了 0.8 mm 同轴电缆连接器的电流极限 166 GHz。
波导的结构有助于提供免受外部射频干扰或对附近其他电子元件产生干扰的优势。这种信号隔离是由于波导的金属壁比微带线和槽线等更开放的拓扑传输线更有优势。
根据物体相对于太阳和地球的方向，它可能会经历来自辐射的强烈热量和来自太空温度的极冷。这种辐射的来源主要是直接来自太阳的太阳辐射，但二次辐射是由地球的反照率效应和地球的热辐射产生的。为了能够在发射前测试设备，可以使用热真空室 (TVAC)。TVAC 是一种特殊类型的真空室，可以调节内部物体的温度，以便分析物体在辐射真空环境（外层空间）中的热行为。
由于波导是金属管，因此它是机械坚固的传输线；当在标准大气环境中操作时，通常造成的唯一损坏是波导内的介质发生电击穿。这是由两点之间的电场强度引起的，电压高于该材料的击穿电压，导致曾经的电介质传导电流并产生电压电弧。然而，在真空中，不再有任何介质会发生电击穿，这也意味着波导通道内的粒子（例如电子）的平均自由程增加了。这可能会导致称为倍增效应（有时称为倍增效应）的现象，这是由振荡电场引起的指数级联电子倍增效应。与电气击穿一样，多重击穿会损坏甚至毁坏射频设备，并可能导致其他问题，例如噪声和额外的信号丢失。倍增效应还会产生二次效应，例如电晕放电等。
电子的倍增是由初级电子撞击波导壁（或波导内的电介质等物体）引起的。根据初始能量、角度和表面粗糙度，撞击可以释放一个或多个二次电子。然后重复这个过程，导致波导内自由电子的增加。每种材料都可以有自己的二次电子发射分布，该分布比较二次电子与一次电子能量的乘法效应，称为二次电子产率 (SEY) 曲线。
由于多重作用依赖于振荡电场，因此电子与H平面金属壁碰撞之间的时间需要同步到振荡周期一半的奇数倍，从而引起共振效应。为了找到可能导致多重击穿发生的电场强度的近似值，可以使用频率间隙方程。源自牛顿第二定律，它表明当两个平面平行表面之间的频率间隙（fd）与表面之间最大电势 Vo 的平方根成正比时，会发生最大共振。
热真空环境下波导器件的仿真
凭借当前计算物理（更具体地说是电磁和多物理模拟）的能力，TVAC 测试可以在组件最终组装之前很久就开始，并且可以成为设计阶段不可或缺的一部分。流行的商业仿真软件由 ansys、COMSOL 和 Dassault Systemes Simulia 等公司开发。
热模拟
由于波导具有与传输线尺寸相当的大热质量和低插入损耗，因此它们可以承受高 CW（连续波形）功率，最大功率取决于波导尺寸。然而，一旦将特征添加到波导中，例如波导到同轴过渡的阻抗匹配步骤，就会出现更高温度的区域。这些“热点”可能是由于内部特征或导热性较差的热路径无法将热量从设备的特定区域转移出去而造成的更大损耗，或两者的组合造成的。
为了能够模拟波导体的温度，一起使用涉及无线电波电磁模拟（有时称为高频电磁模拟）的多物理场模拟和传热。然后，结果可用于计算设备可以处理的最大可能温度，以及最大功率。
通常有两种类型的机制负责在波导中产生热量。第一种机制来自金属波导壁的不完美传导，称为焦耳加热（或欧姆加热）。该效应是由磁场在波导壁中感应电流引起的，导致金属电阻率损失。由于微波频率下的集肤深度距离较小，并且为了简化模拟，通常将电流模拟为表面电流。第二种类型的机制称为电介质加热，其原理与微波炉加热食物的原理相同。当振荡的电磁波沿着波导穿过介电材料时，它会导致介电质中的电偶极子由波的能量损失驱动，进而加热介电质，介电损耗通过一个角度来量化，称为损耗角正切。
为了能够找到设备在模拟中达到的最高温度，系统或系统特定区域的热量输出，这些是通过热传导（扩散）和辐射实现的。波导始终连接到至少一个相邻组件，因此“热点”处产生的热量始终有一条路径扩散到系统的更大体积，例如通过法兰面。存在的另一种传热方法是通过电磁辐射的发射，通常在红外区域。当悬浮在真空中时，辐射传热是从热部件中去除热量的唯一传热方法。在 Flann，我们可以设计适合您需求的系统，如果需要，可以添加额外的冷却，以确保热量从波导系统的较热区域传输出去。
在Flann，我们使用 COMSOL Multiphysics 来模拟波导组件“热点”处预期的理论最高温度。COMSOL 根据用户为当前问题选择的物理场来求解指定域内的耦合偏微分方程。然后，用户选择某些边界条件来定义问题的极限，COMSOL 通过有限元法 (FEM) 对其进行数值求解。图 2 显示了在 COMSOL 中使用高频电磁学和传热的多物理场仿真模拟的 0.8mm 同轴端部发射波导适配器的示例。为了在 COMSOL 中对 Flann 的波导适配器进行建模，会选择边界，以便模拟可能最差的额定条件，从而使设备达到最高温度。因此，可能的热流路径仅限于波导法兰面和同轴接口，两者均保持在 85 摄氏度，并且不考虑辐射传热。
随着同轴电缆中心导体的温度升高，适配器的“热点”和设计限制就会变得比适配器主体的其余部分要热得多。与单独的测试相比，模拟可以更好地了解设备，能够探测无法监控的区域。该模拟还允许外部温度值和功率要求的变化，从而在波导器件的环境要求发生变化时能够更快地给出答案。仿真还将显示频率对温度的影响，例如 0.8 mm 同轴端部发射波导适配器，图 3 显示“热点”温度随频率稳定增加。这是预料之中的，因为该器件包含同轴传输线部分，其损耗随频率而增加，尤其是当接近其高频截止时，主导了通常随频率而降低的波导损耗。
多重模拟
根据模型的复杂性和间隙相对于电场的方向，它将影响验证多重作用可能导致波导器件出现问题的可能性所需的建模类型。ESA 开发了一种用于验证多重处理是否会导致问题的基本工具，称为 ECSS 多重处理工具，该工具基于其 ECSS 多重处理设计和测试标准。ESA 工具返回通过或失败的结果，包括测试标准定义的附加安全裕度，该安全裕度基于用户输入的间隙高度、频率、功率和材料类型，这些输入将定义电子分布的 SEY 曲线。
波导组件并不总是简单，并且不包含均匀场，因此有时需要复杂的三维有限元分析才能完全模拟问题。前面提到的 Multiphysics 软件都有自己的可以模拟多重作用的软件包，例如 Spark3D for CST (Dassault)、COMSOL 的粒子追踪模块以及 Ansys HFSS 中内置的多重作用分析。根据所选择的软件，他们结合使用粒子内技术以及/或蒙特卡罗模拟以及射线追踪，使用时域求解器来模拟预求解电磁场中的粒子，跟踪粒子总数。
以 Ansys HFSS 多重处理为例，首先需要在频域中求解仿真，以找到细胞内粒子技术的电磁场解。与上面讨论的 COMSOL 中的温度模拟非常相似，现在需要选择某些边界条件和域，以便二次电子发射和粒子属性和位置都包含在模拟中。
为了模拟二次电子发射，如前所述，可以从一次电子的能量和SEY曲线找到二次电子数量的分布。在 Ansys 和其他多重模拟软件中，SEY 曲线通常可以基于用户的输入数据集，例如之前测量的数据，或者基于 Vaughan 的 SEY 公式和 Vaughan 对其公式的小修改。
沃恩公式的基本数学形式基于连续分段函数，定义了释放最大二次发射的入射粒子能量上方和下方的两个区域。这些单独区域中的每一个本身都是指数函数，它们取决于释放零二次电子时入射粒子的定义能量以及释放最大数量的二次电子时的能量。另外两个重要的点是二次发射等于 1 的两个相应能量，显然仅当最大二次电子发射本身大于 1 时才有效。所有这些参数都可以通过实验找到，以创建如图 4 所示示例的曲线。
然后，Ansys 会针对不同的入射场能量，模拟指定数量的电子在选定时间段内的倍增。这会生成一个折线图，如图 5 所示，显示总选举计数随时间的变化。现在，当能量超过某个阈值时，多重击穿清晰可见，电子数量呈指数增加，而低于阈值时，电子数量衰减。
结论
根据波导组件在其使用寿命期间将要经历的最初目标和环境以及 FEM 模拟中存在的安全裕度，可能还需要使用 TVAC 设备进行物理测试来测试多重作用和热限制。所需测试类型的示例可以在 ECSS multiactor手册中找到；根据余量，可能需要进行单元测试、批量测试或仅进行资格测试。在将波导置于 TVAC 环境甚至空间之前，还需要对设计的许多其他方面进行分析。需要分析和减少机械振动和共振，以便设备不会自行摇晃，需要考虑材料和制造方法，以将物品的质量保持在最低限度，并限制排气所选材料。为天基应用设计波导组件给经典波导设计带来了许多新的有趣的挑战。
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