Mikrovågsöverslag i
antennstrukturer
Joel Rasch & Mietek Lisak, Chalmers Tekniska Högskola,
Göteborg
Joakim Johansson, RUAG Space AB, Göteborg
Vladimir Semenov & Elena Rakova, IAP, Nizhny Novgorod,
Ryssland
Mikrovågsöverslag
Mikrovågsöverslag är en allvarlig felmekanism i alla sorters
system som använder mikrovågor med hög effekt.
På jordytan innebär det jonisering av luften i systemet,
bildandet av plasma, och resulterande brus, upphettning,
samt ev totalhaveri. Såkallat gasöverslag, koronaöverslag.
Mekanismen bakom koronaöverslag är jonisering av
neutrala atomer vid kollision med elektroner som
accelererats i det starka elektriska fältet.
I omloppsbana (vakuum) innebär det en exponentiell
tillväxt av antalet fria elektroner pga sekundäremission
från ytor i systemet. Såkallad multipaktor
Multipaktor leder till brus, signalreflektion, samt störande
övertoner.
Mikrovågsöverslag
För att undvika överslag försöker man fastställa en
kritisk effekt, över vilken överslag kan ske. Denna
kritiska gräns kallas för överslagströskeln.
Det klassiska experimentella systemet för både
korona och multipaktor är två stora parallella
metallplattor
Detta system har ett homogent elektriskt fält, och
enkla randvillkor
Mikrovågsöverslag
Resultat för korona: Paschenkurvor, 𝐸(𝑝)
Mikrovågsöverslag
Resultat för multipaktor: Hatch-Williams-diagram,
𝐸(𝑓𝑑)
Mikrovågsöverslag
Trots dessa kurvors begränsade tillämpningsområde
används de som standard inom rymdindustrin.
I brist på grundliga teoretiska modeller och pålitliga
simuleringar är man förpassad till att approximera
systemet med parallella plan.
Helixantenn
Ett system där en sådan approximation bör ge mkt dåligt
resultat är en helixantenn
De krökta ytorna leder till spridning av elektroner, och den
öppna geometrin leder till stora elektronförluster
Helixantenn
I föregånde NRFP-omgång analyserade vi multipaktor
och korona i en förenklad modell av helixantennen.
Systemet approximerades med två raka parallella
cylindrar
Enkla riktlinjer för multipaktor togs fram, och det
visade sig att för realistiska dimensioner var
multipaktor uteslutet.
Helixantenn
Pga tillverkningsmetoden är ledarnas tvärsnitt ofta
mer komplicerat
Vissa antenner har ett tvärsnitt
som inte resulterar i någon
nettospridning av elektroner
Det inhomogena elektriska
fältet, samt spridningen i
emissionshastigheten kommer
leda till stora elektronförluster,
och multipaktor borde inte vara
möjligt
NRFP 2
Detta NRFP-projekt gick därför primärt ut på att
simulera och analysera den fullständiga
helixantennen ur multipaktorsynpunkt.
Andra punkter kunde logiskt inkluderas i samma
projekt:
Statistisk modell för multipaktor i system med långa
elektronpassager: sk ickeresonant multipaktor
Studie av multipaktor i coaxial vågledare för höga
frekvenser
Studie av korona i helixgeometri
Ickeresonant multipaktor
Den klassiska analysen av multipaktor grundar sig på att
elektroner måste korsa avståndet mellan ytor i resonans
med fältet, dvs slå i ett udda antal halva fältperioder efter
emission.
Detta generar resonanszoner
Experimentellt har dessa
resonszoner hittats
i väldigt låg utsträckning
Anledningen är att termisk
spridning i elektronernas emissionshastighet förstör resonansen
Ickeresonant multipaktor
Simulering av system med långa elektronbanor är
notoriskt långsamma
Vi tog därför fram en avancerad statistisk model för
elektronfördelningen runt överslagströskeln
Publicerades i Physics of Plasmas 2012
Multipaktor i coaxial vågledare
Tidigare studier av multipaktor i coaxiala vågledare
har varit begränsade till relativt låga frekvenser
Vid högre frekvenser kommer överslaget endast ske
på den yttre ledaren, och elektronbanorna kommer
vara ickeresonanta.
Vi har utfört simuleringar för
representativa parameterområden
Multipaktor i coaxial vågledare
De avgörande faktorerna för ickeresonans är hög
emissionshastighet kombinerat med hög frekvens
och stora gap.
För låg emissionshastighet är de resonanta zonerna
tydliga
Multipaktor i coaxial vågledare
För hög emissionshastighet flyter zonerna samman
Multipaktor i coaxial vågledare
Den ickeresonata modellen visar sig ge bra
förutsägelser för överslagströskeln
Låg emissionshastighet
Realistisk emissionshastighet
Multipaktor i helixantenn
Helixantennen angreps på två fronter:
Simuleringar med approximativ beskrivning av fältet
Statistisk modell av elektronpopulationen
Om multipaktor ska vara möjligt eller inte hänger på
ledarnas storlek i förhållande till systemets storlek
Multipaktor i helixantenn
Den teoretiska modellen tar hänsyn till spridning av elektroner
pga ponderomotiva krafter, och den termiska spridningen i
emissionshastigheten.
Även den geometriska effekten av ytors krökning tas med
enkelt.
𝐷𝑛+1 = 𝛼 2 𝐷𝑛 + 𝛽 2 𝑣𝑒,𝑥 2
2 𝐷 är typiska bredden på en
en elektronklunga
𝛼 och 𝛽 är parametrar som beror på
ytornas krökning och fältgradienten
Denna statistiska modell är nu publicerad
i IEEE Trans. Plasma Sci. 2014.
Multipaktor i helixantenn
Med denna enkla formel kan
man finna ett kritiskt värde
på maximala sekundäremissionskoefficienten, 𝜎𝑚𝑎𝑥 ,under
vilket multipaktor är omöjligt
Realistiska värden ligger runt 2-5
En antenn med dimensioner
𝑑 = 2|𝑅|
𝑅 = −40 mm
𝑏 = 8 mm
Kräver 𝜎𝑚𝑎𝑥 > 190
Multipaktor i helixantenn
Pga de kraftiga elektronförlusterna är det inte möjligt
att simulera ett faktiskt multipaktoröverslag i
realistiska antenner.
Man får nöja sig med att
registrera takten
elektroner försvinner i
Takten är avsevärd
Sammanfattning
Vi har tagit fram en modell för multipaktor i realistiska
helixantenner. Denna modell går att applicera på många
andra liknande strukturer. För realistiska helixantenner
visar den att multipaktor är uteslutet. Detta styrks av
simuleringar
Vi har tagit fram en ickeresonant model för multipaktor,
som möjliggör snabb utvärdering av överslagströskeln, i de
fall då modellen är applicerbar
Vi har analyserat multipaktor i coaxialvågledare, och visat
att tröskeln kan estimeras med den ickeresonanta
modellen.
Vi har tagit fram approximativa uttryck för koronatröskeln i
helixantennen
