تحلیل و شبیه سازی شکست مالتی پکتور در موجبر بیضوی

نیاز به افزایش سرعت ارسال و دریافت داده ها در سیستم های مخابراتی سبب افزایش توان ارسالی سیگنال rf شده است. این افزایش توان با توسعه تقویت کننده های پرقدرت لامپی همچون twta و یا نیمه هادی قابل پیاده سازی می باشد. ماهواره های مخابراتی geo نیز از این قائده مستثنی نیستند و برای ارسال و دریافت داده ها از طریق ماهواره نیاز به افزایش توان ارسالی سیگنال rf با استفاده از تقویت کننده های پرقدرت داریم. با افزایش توان سیگنال rf در ادوات مایکروویو که در خلا کار می کنند، همچون ماهواره های geo خطر رخداد پدیده مالتی پکتور در آن ها وجود دارد. همچنین از این پدیده در تقویت کننده های لامپی جهت تقویت جریان استفاده می شود که در صورت عدم کنترل آن می توان اثرات مخرب نیز برروی عملکرد تقویت کننده داشته باشد. پدیده مالتی پکتور ناشی از تشدید الکترون های ثانوی? صادره از سطوح فلزی و یا دی الکتریک می باشد. این پدیده توسط فارنس ورث در سال 1934 معرفی شد و مورد استفاده قرار گرفت‎[1]]1[. وی سیگنال تلویزیونی را با استفاده از تصویر برداری سریع از تصویر الکترونی اختراع کرد و با استفاده از تشدید الکترون ثانویه، که آن را پدیده مالتی پکشن نامید، سیگنال تلویزیونی را درون یک لامپ خلا تقویت کرد و پایه تقویت کننده های لامپی پر قدرت را بنا نهاد. در ادامه جیل و انجل در سال 1947 این پدیده را به صورت شکست در محیط خلا بررسی کردند]2[. آن ها شدت میدان آستانه شکست مالتی پکتور را برای میدان الکتریکی یکنواخت با فرکانس بالا و در فشار هوای حدود 10-3mhg بررسی کردند. در سال 1954، هچ و ویلیامز آزمایشات دقیق و تئوری کاملی از شکست مالتی پکتور برای دو صفحه موازی ارائه کردند]3[، و در سال 1958 مود های مرتبه بالاتر این پدیده را مورد بررسی قرار دادند]4[. بر خلاف اثر سازنده پدیده مالتی پکتور در لامپ های خلا، در صورت عدم کنترل آن، این پدیده می تواند اثرات مخربی همچون افزایش نویز، افزایش میزان بازتابش توان ورودی، افزایش تلفات و ... در ادوات مایکروویو داشته باشد و در صورت رخداد شدید مالتی پکتور، این پدیده ممکن است سبب تغییر شکل ساختار و عملکرد نادرست آن شود. همانگونه که می دانیم یک سیستم ماهواره geo در شرایط خلا کار می کند و در صورت بروز مشکل در آن، به دلیل در دسترس نبودن آن غیر قابل تعمیر می باشد. این ماهواره ها به دلیل انتشار موج با مشخصات مناسب و کوچک سازی و کاهش وزن و گین بالا در باند های فرکانسی c، x و k کار می کنند. بسیاری از ادوات مایکروویو به طور معمول از ساختار های فلزی جهت هدایت امواج الکترومغناطیسی استفاده می کنند. الکترون های آزاد تحت تاثیر نیروی وارده توسط امواج الکترومغناطیسی درون این ساختارها با سرعت بالایی شتاب می گیرند و از طرفی گاز و یا ماده ای جهت جلوگیری از حرکت آن ها وجود ندارد. با برخورد الکترون ها به دیواره المان مایکروویو، با توجه به مشخصه sey المان مایکروویو تعداد بیشتری الکترون از سطح المان مایکروویو آزاد شده و این مکانیزم ادامه می یابد تا این که چگالی الکترون ها به اندازه ای شود که سبب افزایش نویز و برهم زدن توزیع میدان های الکتریکی شده و پاسخ سیستم از حالت تنظیم خارج خواهد شد. از زمان مطرح شدن این تئوری تحقیقات زیادی برروی ادوات مایکروویو انجام شد و ملاحظاتی جهت طراحی rf در خلا مطرح گردید. تحلیل پدیده مالتی پکتور در ساختارهای پیچیده بسیار مشکل است به صورتی که در برخی موارد ساختار مورد نظر قابل تحلیل به صورت دقیق نمی باشد. با توجه به این مسئله روش های شبیه سازی همچون روش الکترون موثر برای شبیه سازی و ارزیابی این پدیده در ساختارهای مختلف ارائه شد]5[ و با افزایش سرعت پردازنده ها تحقیقات در این ضمینه به صورت چشمگیری افزایش یافت. در این پایان نامه در ابتدا با بررسی تئوری پدیده مالتی پکتور به بازبینی تحقیقات انجام گرفته در این زمینه خواهیم پرداخت. با توجه به این که بررسی این پدیده تاکنون در موجبر بیضوی انجام نگرفته است، توجه خود را معطوف به تحلیل و شبیه سازی این پدیده در موجبر بیضوی می کنیم. جهت شبیه سازی این پدیده از روش الکترون موثر به صورت ترکیبی با روش مونت کارلو استفاده می کنیم. در این روش معادله حرکت الکترون توسط روش عددی velocity-verlet حل شده و مسیریابی الکترون تحت میدان های اعمالی موجبر بیضوی انجام می گیرد. در نهایت یا استفاده از تابع شمارنده افزایشی آستانه رخداد مالتی پکتور بدست خواهد آمد. در این پایان نامه معادله حرکت الکترون در دستگاه مختصات بیضوی و مستطیلی و با در نظر گرفتن مرزهای دیواره موجبر بیضوی انجام خواهد گرفت و نتایج شبیه سازی با یکدیگر مقایسه خواهد شد. جهت بررسی دقیق تر آستانه رخداد مالتی پکتور مود دوم موجبر بیضوی در شبیه سازی ها اعمال خواهد گردید تا تغییرات آستانه رخداد مالتی پکتور بر اثر حضور مود دوم بدست بیاید. در انتها نیز اثر مالتی پکتور بر روی پاسخ یک فیلتر مایکروویو که از موجبر بیضوی به صورت یک شکاف استفاده می کند مورد ارزیابی قرار گرفته است و نتایج حاصل از شبیه سازی آن ارائه شده است. در انتها اثر مالتی پکتور برروی پاسخ یک فیلتر مایکروویو که در کاربردهای توان بالا استفاده می شود و از یک شکاف موجبری بیضوی استفاده می کند بررسی و شبیه سازی شده است.