腔体滤波器功率容量分析和应用

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1、腔体滤波器功率容量分析和应用1气体击穿现象任何气体都由原子和分子组成，它们都是中性粒子。而且，由于宇宙射线电离或其他现象（例如光电效应），气体里面都会存在少量的电子和带电粒子（离子离子是指原子由于自身或外界的作用而失去或得到一个或几个电子使其达到最外层电子数为8个或2个（氦原子）或没有电子（四中子）的稳定结构。这一过程称为电离。电离过程所需或放出的能量称为电离能。当原子得到一个或几个电子时，质子数小于核外电子数，从而带负电荷，称为阴离子。当原子失去一个或几个电子时，质子数大于核外电子数，从而带正电荷，称为阳离子。）。由于电场作

2、用，气体中的电子和带电粒子会沿电场方向加速运动，与路径上的中性粒子或容器边沿发生碰撞。其中电子碰撞起主要作用。离子越重，加速越慢，则碰撞机会越少，因此碰撞中远不及电子赋予的能量。1.1粒子碰撞根据空气动力学经典理论（布朗运动：分子永不停息地做无规则的运动。），气体中的电子、原子、分子、离子可以视为随机状态下小范围自由运动的刚性小球，且这些球之间有相互碰撞。呈现出碰撞的类型有两种：弹性碰撞和非弹性碰撞。1)在弹性碰撞中，电子或离子从原子中弹出，只和原子交换能量，而不改变原子的状态。转移给靶原子的能量不能激发靶原子内的电子时，所转

3、移的能量就使靶原子作为整体而反冲。2)非弹性碰撞中，电子的能量足够高，它们消耗自身的能量改变原子内部的状态。碰撞后被激发的原子通常会很快回到它的基态能级，原子得到的能量会被辐射出来。如果电场足够高，一些电子在碰撞中就会从原子电离出其他电子，产生二次电子和正离子。1.2扩散在气体媒质中，粒子浓度或速度的梯度会导致沿梯度降低方向产生粒子流，这个粒子流称为扩散。在电离气体中，电子被原子和分子沿外加电场的方向散射，散射的电子被气体容器表面吸收。这些电子的损失被认为是扩散作用的结果。虽然扩散的主要因素是电子的自由扩散，但扩散速率取决于电

4、子浓度、场梯度、电子产生率、几何特征、尺寸及容器的表面条件等。此外，扩散速率还依赖于电子和离子的相互作用。1.3吸附效应电子可能被吸附在气体的中性粒子上。一旦被吸附，被吸附的电子在离子化过程中不会再发挥任何作用，这是因为中性粒子的重量是电子的2000倍以上。因此，中性粒子的速度比自由电子慢得多，它与失去的电子等价。必须注意，这里失去的电子和扩散过程中的不一样，扩散过程的电子运动是场作用的结果。不同的气体条件下，吸附率的变化与氧成分的含量高低有关。吸附过程由气体的原子和分子的特性控制。1.1气体击穿当电场在持续一段时间内足够强时

5、，弹性碰撞和非弹性碰撞频繁发生，产生电子的比率将大于扩散和再次合并导致失去电子的比率。过量的电子产出率只需要略比失去电子的比率大，就会导致电子浓度急速上升。当电子浓度足够高时，气体变得导电发生击穿。2滤波器功率容量2.1影响功率容量的因素滤波器的极限功率容量主要受空气击穿现象限制。产生放电现象又要受空气击穿场强、腔体结构、腔体Q值、滤波器拓扑结构和滤波器相对带宽等因素影响。其中，1.工作环境决定击穿场强Ep。2.腔体结构决定腔体中最大场强值和腔体Q值；3.滤波器拓扑结构决定额定输入功率状态下，各腔体的能量分布。滤波器输入功率越

6、高，内部场强越大，当内部电场强度超过击穿场强时，将引起气体电离导通，形成短路，大功率在内部释放，产生的热量同时使得空气温度升高，加速气体的电离，形成恶性循环。对于镀银的同轴腔滤波器来说，热量使得表面温度升高，导致镀银层迅速氧化，形成氧化银黑点。2.2空气的击穿场强空气的击穿场强Ep受多方面因素的影响：1.大气的压强P;2.有效的扩散路径长度Leff；3.电场脉冲的宽度tp；4.空气湿度；5.水蒸气中盐分的含量；6.气体成分等等。其中，击穿场强（V/m）主要和温度（℃）、气压（Atm）、峰值功率持续时间（μs）、频率（Hz），有

7、效距离（cm，»2倍间隙）密切相关。公式和公式分别描述了气压（Atm）与温度（℃）和高度H（m）的关系。(2.2.1)式中，(2.2.2)(2.2.3)在高气压环境下，即高于1/10的大气压环境（76Torr）或更高的情况下，击穿电场强度与频率、扩散特征长度无关，可以表示为(2.2.4)在标准大气压760Torr的情况下，空气击穿电场强度Ep为(2.2.5)可以看出，击穿门限电压远小于常用值29kV/cm。1.1最大场强的仿真分析滤波器最大场强的仿真有两个途径：一是通过滤波器的模型综合，结构尺寸综合获得整个滤波器的精确尺寸，把

8、滤波器的整个结构模型放入电磁仿真软件（HFSS，CST等）去仿真，分析得到内部最大场强，HFSS缺省的输入功率是1瓦，这种分析方法称作整体模型分析法。该方法直接准确，对于小模型的滤波器比较适用，比如单个谐振腔的滤波器，对于复杂的多腔滤波器来说，一方面准确的结构尺寸模型很难获得