一种快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法，包括：建立描述部件最小尺寸结构的三维几何模型，并将所述三维几何模型剖分成多个六面体网格；确定三维几何模型的边界和材料属性，以及材料的二次电子发射特性参数；采用宏粒子模拟空间中的自由电子，定义宏粒子的初始能量、电荷量、质量、初始分布状态和初始运动方向；建立宏粒子链表，并进行宏粒子链表初始化；基于三维几何模型、三维几何模型的边界和材料属性、材料的二次电子发射特性参数、以及宏粒子链表，从微放电阈值扫描功率起始值P0开始，进行微放电阈值数值模拟。通过本发明专利技术提高了微放电数值模拟的仿真效率。

A time-domain numerical simulation method for quickly determining the threshold value of micro discharge of components

【技术实现步骤摘要】
一种快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法
本专利技术属于星载微波部件
，尤其涉及一种快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法。
技术介绍
航天器大功率微波部件的高微放电风险是影响航天器有效载荷长寿命、高可靠性的关键性因素，也是大功率应用下卫星最大的单点失效环节。对于大功率微波部件微放电设计而言，有效的数值模拟和阈值分析是进行地面验证的关键步骤，能够避免由于实验和反复更改设计带来的研制周期过长、甚至于无法获得最大工作功率可靠性设计的问题。基于全波电磁计算和粒子轨迹推进实现的微放电三维数值模拟技术是目前国际上最先进的微放电分析技术，是微放电机理验证的关键技术，是微放电抑制技术优化克服无法穷举实验参数的必要手段，更是航天器大功率微波部件设计的必需工具。对复杂微波部件，如何提高航天器大功率微波器件微放电效应数值模拟速度，缩减实际微波器件微放电阈值预测时间，是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法，以提高微放电数值模拟仿真效率。为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法，包括：建立描述部件最小尺寸结构的三维几何模型，并将所述三维几何模型剖分成多个六面体网格；确定三维几何模型的边界和材料属性，以及材料的二次电子发射特性参数；采用宏粒子模拟空间中的自由电子，定义宏粒子的初始能量、电荷量、质量、初始分布状态和初始运动方向；建立宏粒子链表，并进行宏粒子链表初始化；基于三维几何模型、三维几何模型的边界和材料属性、材料的二次电子发射特性参数、以及宏粒子链表，从微放电阈值扫描功率起始值P0开始，进行微放电阈值数值模拟。在上述快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法中，材料属性，包括：介电常数εr，磁导率μr和电导率σ。在上述快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法中，二次电子发射特性参数，包括：二次电子发射系数δse、δse对应的入射电子能量值Em、二次电子发射系数为1时对应的入射电子能量值E1和E2。在上述快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法中，宏粒子链表中记录有：每个宏粒子的运动速度矢量与位移矢量。在上述快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法中，宏粒子链表初始化，包括：确定宏粒子的初始位移矢量随机分布在微放电数值模拟区域，初始运动速度为零；确定所有六面体网格中总的宏粒子数目初始值为N0。在上述快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法中，还包括：定义：三维几何模型内部的中空区域为微放电数值模拟区域；微放电数值模拟区域的材料为真空；微放电数值模拟时间步长为NΔt；微放电阈值扫描功率起始值为P0、功率扫描精度为a，微放电数值模拟时间为T1；其中，Δt表示三维几何模型的时间步长，N为大于或等于1的整数。在上述快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法中，还包括：根据三维几何模型的工作中心频率f0和三维几何模型的电磁波输入端口几何特性，通过求解麦克斯韦方程，得到一个时间周期T0内三维几何模型中所有六面体网格中的电场分布Ei和磁场分布Bi；其中，T0＝1/f0，i＝1，...，n，n为六面体网格的个数。在上述快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法中，基于三维几何模型、三维几何模型的边界和材料属性、材料的二次电子发射特性参数、以及宏粒子链表，从微放电阈值扫描功率起始值P0开始，进行微放电阈值数值模拟，包括：(1)确定功率比例因子xp；其中，P表示微放电数值模拟输入功率；(2)将所述一个时间周期T0内三维几何模型中所有六面体网格中的电场分布Ei和磁场分布Bi分别乘以功率比例因子xp，并按周期进行循环，得到微放电数值模拟输入功率P时的所有六面体网格中任意时间下的电磁场分布；(3)按照所述微放电数值模拟时间步长NΔt，对所述微放电数值模拟输入功率P时的所有六面体网格中任意时间下的电磁场分布进行线性插值，得到每一个宏粒子所在位置处的电磁场；运用描述宏粒子运动的洛伦兹方程组进行迭代计算，得到每一个微放电数值模拟时间步长的宏粒子运动速度矢量与位移矢量；根据宏粒子坐标，判断在本时间步内，宏粒子是否与三维几何模型的边界发生碰撞；其中，若确定发生碰撞，则将所有发生碰撞的宏粒子从所述宏粒子链表中删除，不再计入下一个时间步的计算；并，根据宏粒子运动速度矢量与发生碰撞处的三维几何模型的材料的二次电子发射特性参数，判断是否从材料中发射出宏粒子；其中，若确定从材料中发射出宏粒子，则确定发射出的宏粒子的运动速度矢量与位移矢量，并将所述确定的发射出的宏粒子的运动速度矢量与位移矢量，作为下一个时间步中宏粒子的初始状态；记录本时间步内，所有六面体网格中总的宏粒子数目Nx，并对宏粒子链表进行更新；(4)按微放电数值模拟时间步长进行推进，记录所有时间步内所有六面体网格中总的宏粒子数目随时间的变化，重复步骤(3)；当某一时间步内，所有六面体网格中总的宏粒子数目大于总的宏粒子数目初始值N0的103倍时，结束微放电阈值数值模拟；或者，当微放电数值模拟时间达到设置的模拟时间阈值时，结束微放电阈值数值模拟。在上述快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法中，还包括：定义第c个射频周期时的宏粒子数目为Nc，若微放电数值模拟时间超过c个射频周期后，直到微放电数值模拟为止的每一个时间周期T0内所有六面体网格中总的宏粒子数目小于下一个时间周期T0内所有六面体网格中总的宏粒子数目，则确定发生微放电，否则，确定未发生微放电。在上述快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法中，还包括：当微放电数值模拟输入功率P为微放电阈值扫描功率起始值P0时，若确定发生微放电，则按照功率缩比因子PS1，将微放电阈值扫描功率起始值P0设置为Ps1P0，重复步骤(1)～(4)，进行微放电阈值数值模拟，直至确定未发生微放电，记录此时的不放电功率Pm-1，以及，不放电功率Pm-1的上一输入功率Pm；当微放电数值模拟输入功率P为微放电阈值扫描功率起始值P0时，若确定未发生微放电，则按照功率增放因子Pz1，将微放电阈值扫描功率起始值P0设置为Pz1P0，重复步骤(1)～(4)，进行微放电阈值数值模拟，直至确定发生微放电，记录此时的放电功率以及，放电功率的上一输入功率若则设微放电数值模拟输入功率P为重复步骤(1)～(4)，进行微放电阈值数值模拟，直至将时确定的的值作为微放电阈值。本专利技术具有以下优点：本专利技术公开了一种快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法，针对微放电初期粒子数目增长较慢，对电磁场影响较小的特性，对器件首先进行一次电磁场求解，然后在不同功率下的微放电模拟中重复利用已经求解好的电磁场结果，大大缩短了计算微放电阈值的时间，提高了仿真效率。本专利技术通过粒子数目曲线变化特点对微放电阈值进行自动判断，实现了快速有效的微放电数值模拟与阈值确定，在后续将广泛应用于多种大功率微波部件的微放电分析中，具有广阔的潜在市场应用前景和巨大的经济效益。本专利技术有助于提高航天器大功率微波器件(复杂微波部件)微放电效应数值模拟速度，缩减了实际微波器件微放电阈值预测时间，提升了MSAT软件的实用性和易用性，为航天器大功率微波器件微放电效应的工程设计提供更有力的支持。附图说明图1是本专利技术实施例中一种快本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法，其特征在于，包括：建立描述部件最小尺寸结构的三维几何模型，并将所述三维几何模型剖分成多个六面体网格；确定三维几何模型的边界和材料属性，以及材料的二次电子发射特性参数；采用宏粒子模拟空间中的自由电子，定义宏粒子的初始能量、电荷量、质量、初始分布状态和初始运动方向；建立宏粒子链表，并进行宏粒子链表初始化；基于三维几何模型、三维几何模型的边界和材料属性、材料的二次电子发射特性参数、以及宏粒子链表，从微放电阈值扫描功率起始值P0开始，进行微放电阈值数值模拟。

【技术特征摘要】
1.一种快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法，其特征在于，包括：建立描述部件最小尺寸结构的三维几何模型，并将所述三维几何模型剖分成多个六面体网格；确定三维几何模型的边界和材料属性，以及材料的二次电子发射特性参数；采用宏粒子模拟空间中的自由电子，定义宏粒子的初始能量、电荷量、质量、初始分布状态和初始运动方向；建立宏粒子链表，并进行宏粒子链表初始化；基于三维几何模型、三维几何模型的边界和材料属性、材料的二次电子发射特性参数、以及宏粒子链表，从微放电阈值扫描功率起始值P0开始，进行微放电阈值数值模拟。2.根据权利要求1所述的快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法，其特征在于，材料属性，包括：介电常数εr，磁导率μr和电导率σ。3.根据权利要求2所述的快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法，其特征在于，二次电子发射特性参数，包括：二次电子发射系数δse、δse对应的入射电子能量值Em、二次电子发射系数为1时对应的入射电子能量值E1和E2。4.根据权利要求3所述的快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法，其特征在于，宏粒子链表中记录有：每个宏粒子的运动速度矢量与位移矢量。5.根据权利要求4所述的快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法，其特征在于，宏粒子链表初始化，包括：确定宏粒子的初始位移矢量随机分布在微放电数值模拟区域，初始运动速度为零；确定所有六面体网格中总的宏粒子数目初始值为N0。6.根据权利要求5所述的快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法，其特征在于，还包括：定义：三维几何模型内部的中空区域为微放电数值模拟区域；微放电数值模拟区域的材料为真空；微放电数值模拟时间步长为NΔt；微放电阈值扫描功率起始值为P0、功率扫描精度为a，微放电数值模拟时间为T1；其中，Δt表示三维几何模型的时间步长，N为大于或等于1的整数。7.根据权利要求6所述的快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法，其特征在于，还包括：根据三维几何模型的工作中心频率f0和三维几何模型的电磁波输入端口几何特性，通过求解麦克斯韦方程，得到一个时间周期T0内三维几何模型中所有六面体网格中的电场分布Ei和磁场分布Bi；其中，T0＝1/f0，i＝1,…,n，n为六面体网格的个数。8.根据权利要求7所述的快速确定部件微放电阈值的时域数值模拟方法，其特征在于，基于三维几何模型、三维几何模型的边界和材料属性、材料的二次电子发射特性参数、以及宏粒子链表，从微放电阈值扫描功率起始值P0开始，进行微放电阈值数值模拟，包括：(1)确定功率比例因子xp；其中，P表示微放电数值模拟输入功率；(2)将所述一个时间周期T0内三维几何模型中所有六面体网格中的电场分布Ei和磁场分布Bi分别乘以功率比例因子xp，并按周期...

【专利技术属性】
技术研发人员：李韵，崔万照，王琪，王新波，张剑锋，王洪广，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61