具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法及系统技术方案

具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法及系统，采用3D建模软件建立具有微结构表面的介质材料加载微波部件几何模型，利用CST微波工作室的频域求解器模型计算该微波部件中的电磁场分布，将获得的电磁场结果，建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型，计算不同射频电场幅值和相位下的二次电子发射系数曲线，将模拟获得的具有微结构表面介质材料的二次电子发射系数曲线等效结果加入到微放电粒子模拟中，建立了材料表面微观尺度和微波部件尺度关联的快速等效模拟方法，利用该方法，方孔阵列微结构的二次电子发射系数曲线和阈值随表面形貌的变化规律，获得通过对材料表面进行刻槽处理，有效降低材料的二次电子发射系数，提高微放电阈值。提高微放电阈值。提高微放电阈值。

【技术实现步骤摘要】
具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法及系统


[0001]本专利技术属于空间微波部件可靠性研究
，特别涉及具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法及系统。

技术介绍

[0002]随着航天器有效载荷向小型化和高通信功率的发展，介质材料及其构成的微波部件(介质谐振滤波器、铁氧体环行器、介质加载波导等)由于具有损耗低、体积小、质量轻、可靠性高等优点，在卫星系统中得到了愈发广泛的应用。为了满足更大功率、更高比特率和更多信道的应用以及小型化设计的需求，未来航天器正朝着微波部件介质化的趋势发展。与此同时，空间大功率微波部件无源系统中潜在的微放电特殊效应已经成为制约系统性能提升的科学难题和关键技术瓶颈，尤其是在航天器通信系统中。
[0003]材料的二次电子发射与微波部件中的电磁场分布是导致微放电发生的根源，材料自身性质以及表面微结构决定了二次电子发射特性。对于具有光滑的材料表面结构，当一定能量入射电子轰击到材料表面时，从材料表面出射的二次电子直接返回到器件内部真空区域，而具有粗糙的材料表面，可能会使电子进入某种特殊表面结构形成的“陷阱”中而使产生的二次电子不能顺利进入器件内部空间，从而在总体效果上抑制二次电子发射。
[0004]由于金属材料微结构中电磁场为零，具有一定能量入射电子进入微结构时在其内部做匀速运动，入射电子与微结构相互作用产生的二次电子数目取决于微结构物理尺寸以及进入微结构时刻电子的能量和角度。而对于具有微结构表面的介质材料，由于微结构中存在射频电磁场，入射电子进入微结构中在电场和磁场的共同作用下做回旋变速运动，其运动轨迹计算相比于金属微结构中的较为复杂，尤其是磁性介质材料，因此，开展介质材料中微孔的几何结构以及内部射频电磁场对二次电子发射系数的影响，建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型是迫切需要的。此外，对于具有微结构表面的介质材料加载微波部件，由于表面微结构的尺度一般在微米量级，而微波部件的尺度属于毫米或者厘米量级，如果采用统一的时间步长进行粒子模拟计算，整个物理过程涉及表面微观尺度和器件尺度问题，这无疑会消耗大量计算时间。因此，建立材料表面微观尺度二次电子发射和微波器件尺度微放电二者之间的关联关系，是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法及系统，以解决上述问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，包括以下步骤：
[0008]建立具有微结构表面的介质材料加载微波部件物理模型；
[0009]模拟具有微结构表面的介质材料加载微波部件内部的电磁场分布，获得的电磁场结果；将微波部件的几何边界与网格剖分所形成的六面体网格进行关联，获得关联信息；
[0010]建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型；
[0011]建立介质材料表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联，包括将建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型加入到微放电粒子模拟程序中；
[0012]电磁场结果和关联信息作为读入初始化文件对程序进行初始化；
[0013]根据当前时刻粒子所在网格节点的时域电磁场插值求解粒子所在位置处的电磁场值，求解牛顿洛伦兹力方程，获得这一时间步长内的粒子运动轨迹，进而更新当前时刻粒子位置；
[0014]判断粒子是否与微波部件边界发生碰撞，若发生碰撞则根据碰撞位置所在的三角形的材料属性进行二次电子发射处理，否则继续推进粒子，直至仿真时间结束；
[0015]判断是否到达设定的仿真时间，若到达则仿真结束，否则继续进行微放电过程模拟；判断当前功率与微放电阈值的关系，若大于则降低输入功率并重复上述过程，否则增加输入功率，直至获得微放电阈值。
[0016]进一步的，当碰撞的三角形的材料为金属则根据二次电子发射Vaughan或Furman模型确定出射电子信息，当三角形的材料为介质，根据建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型进行边界处理。
[0017]进一步的，出射电子信息出射电子信息包括电子数目和速度。
[0018]进一步的，得的电磁场结果保存在“FD_Field.silo”文件中；关联信息保存在“Conformal.silo”文件中。
[0019]进一步的，采用3D建模软件建立具有微结构的介质材料加载微波部件物理模型；采用CST微波工作室的频域求解器计算微波部件内部的电磁场分布。
[0020]进一步的，建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型：基于蒙特卡罗方法对微结构中的电子运动进行轨迹追踪计算，统计从介质表面和微结构中返回到真空－介质交界面处的二次电子数目。
[0021]进一步的，建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型，具体为：
[0022]1)在介质表面上方垂直注入一定数目固定能量的电子，其电子位置在微结构表面服从均匀分布；
[0023]2)计算粒子运动轨迹，并根据电子运动轨迹判断粒子是否返回到真空－介质交界面处，若返回，统计逃逸出的粒子数目，否则去判断粒子与微结构边界是否发生碰撞，若发生碰撞，根据粒子的碰撞能量、碰撞角度以及材料的二次电子发射系数曲线计算出射的二次电子数目；
[0024]3)将新产生的二次电子加入到总的电子数目中，然后再次计算电子运动轨迹，否则继续推进电子，直至微结构中的电子数目减少到零为止。
[0025]进一步的，在进行微放电数值模拟之前，首先采用建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型分别计算不同射频电场幅值和相位下的二次电子发射系数曲线，然后将获得的模拟结果加入到微放电粒子模拟程序中，实现表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联。
[0026]进一步的，具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟系统，包括：
[0027]模型建立模块，用于建立具有微结构表面的介质材料加载微波部件物理模型；
[0028]初始文件获得模块，用于模拟具有微结构表面的介质材料加载微波部件内部的电
磁场分布，获得的电磁场结果；将微波部件的几何边界与网格剖分所形成的六面体网格进行关联，获得关联信息；
[0029]二次电子发射模型建立模块，用于建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型；建立介质材料表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联，包括将建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型加入到微放电粒子模拟程序中；
[0030]初始化模块，用于电磁场结果和关联信息作为读入初始化文件对程序进行初始化；根据当前时刻粒子所在网格节点的时域电磁场插值求解粒子所在位置处的电磁场值，求解牛顿洛伦兹力方程，获得这一时间步长内的粒子运动轨迹，进而更新当前时刻粒子位置；
[0031]判断模块，用于判断粒子是否与微波部件边界发生碰撞，若发生碰撞则根据碰撞位置所在的三角形的材料属性进行二次电子发射处理，否则继续推进粒子，直至仿真时间结束；判断是否到达设定的仿真时间，若到达则仿真结束本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：建立具有微结构表面的介质材料加载微波部件物理模型；模拟具有微结构表面的介质材料加载微波部件内部的电磁场分布，获得的电磁场结果；将微波部件的几何边界与网格剖分所形成的六面体网格进行关联，获得关联信息；建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型；建立介质材料表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联，包括将建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型加入到微放电粒子模拟程序中；电磁场结果和关联信息作为读入初始化文件对程序进行初始化；根据当前时刻粒子所在网格节点的时域电磁场插值求解粒子所在位置处的电磁场值，求解牛顿洛伦兹力方程，获得这一时间步长内的粒子运动轨迹，进而更新当前时刻粒子位置；判断粒子是否与微波部件边界发生碰撞，若发生碰撞则根据碰撞位置所在的三角形的材料属性进行二次电子发射处理，否则继续推进粒子，直至仿真时间结束；判断是否到达设定的仿真时间，若到达则仿真结束，否则继续进行微放电过程模拟；判断当前功率与微放电阈值的关系，若大于则降低输入功率并重复上述过程，否则增加输入功率，直至获得微放电阈值。2.根据权利要求1所述的具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，其特征在于，当碰撞的三角形的材料为金属则根据二次电子发射Vaughan或Furman模型确定出射电子信息，当三角形的材料为介质，根据建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型进行边界处理。3.根据权利要求2所述的具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，其特征在于，出射电子信息出射电子信息包括电子数目和速度。4.根据权利要求1所述的具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，其特征在于，得的电磁场结果保存在“FD_Field.silo”文件中；关联信息保存在“Conformal.silo”文件中。5.根据权利要求1所述的具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，其特征在于，采用3D建模软件建立具有微结构的介质材料加载微波部件物理模型；采用CST微波工作室的频域求解器计算微波部件内部的电磁场分布。6.根据权利要求1所述的具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，其特征在于，建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型：基于蒙特卡罗方法对微结构中的电子运动进行轨迹追踪计算，统计从介质表面和微结构中返回到真空－介质交界面处的二次电子...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟永贵，王洪广，李永东，林舒，彭敏，王瑞，李韵，陈坤，王柯，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：