一种微波载荷低气压放电空间电位的轻量化确定方法技术

本发明专利技术提供了一种微波载荷低气压放电空间电位的轻量化确定方法：定义任一空间直角坐标系作为放电空间坐标系，获得微波载荷低气压放电空间的电荷分布；考虑空间电荷位置在电场和磁场推进下的动态变化，解算瞬时变化后微波载荷低气压放电空间的空间电荷分布；将瞬时变化后微波载荷低气压放电空间的所有电荷进行三维线性单元网格化归，得到空间网格电荷分布；采用高斯定理获得每一个网格点上元电荷的空间电位形式，将单元网格划归的空间网格电荷分布与空间元电荷的电位数据进行对应乘积叠加，获得所有电荷合成后的空间电位；对放电空间坐标系三个坐标轴方向的电位差分，获得空间电荷场分布。电荷场分布。电荷场分布。

【技术实现步骤摘要】
一种微波载荷低气压放电空间电位的轻量化确定方法


[0001]本专利技术涉及一种低气压放电空间电位的轻量化确定方法，属于电子


技术介绍

[0002]空间微波载荷在大功率状态下的低气压放电效应是制约航天用各类微带天线性能的一个重要因素。由电子倍增效应产生的低气压放电效应会导致材料表面改性、增大介电损耗和器件参数偏离设计值，这些都会影响相应的天线的参数和性能，进而影响天线的正常工作。随着天线大功率、小型化的需求日益增加，低气压放电效应已经成为限制航天器微波部件性能和稳定性的重要瓶颈问题。
[0003]高工作功率、高集成度的微波元件可以提高空间负载系统的性能，同时也带来了可靠性的挑战。在高微波场下，带电粒子与元件表面或相互作用，形成电子倍增效应。这些微波共振倍增效应，包括微放电和低气压放电，极大地限制了部件的性能，甚至降低了载荷系统的使用寿命。低气压放电由于电子云的产生，和空间气体击穿现象，低气压放电效应导致驻波比(SWR)的提高，反射功率的增加和噪声水平的提高，这些都可能导致微波系统的不正常。此外，作为副产品，由于热效应和粒子轰击，还可能产生无源互调和表面腐蚀。因此，为了避免这些破坏现象，在逃离大气层之前，通常需要关闭播放系统。即便如此，考虑到材料表面存在解吸现象，随着工作功率的增加，低气压放电现象仍然会在大功率工况下发生。
[0004]由于加载介质材料可以有效地帮助缩小微波元件的尺寸，因此加载介质的微带线也被广泛地应用于空间载荷系统的微波电路。介质材料具有更显著的表面粗糙度和更低的紧凑性，并且会伴随着更为显著的释气现象。此外，在连接区域的胶水的释气是另一个主要的放气来源。所有这些原因导致低气压放电成为固体微带电路在承受高工作功率时的关键问题。与封闭式谐振腔结构不同，空间微波电场在放电区并不总是垂直于表面，这对电子加速和多重压制是不利的。此外，开放型的板式结构允许解吸气体的扩散，从而减慢了气体压力的聚集。这些原因导致低气压放电有一个更高的阈值工作功率，当与谐振腔的情况相比。在高功率的刺激下，低气压放电可能会与微放电耦合，这使得放电现象成为一个更复杂的物理过程。在这里，电子冲击下的材料表面的二次电子发射可能是一个重要的角色，这在以前的研究中总是被忽略。由于三维场和结构的不均匀性，微波电路的低气压放电很难通过二维模拟模型来研究。在水平面上的电子分布和动态扩散也应在区域内进行分析。
[0005]微带电路在端口区域的低气压放电过程的预测和分析通常需要通过三维数值模拟放电过程中的电子演变。为了更准确地描述电子动态，模拟通过蒙特卡洛方法跟踪微波电磁场和累积静电场下的每个电子运动。此外，该模拟还考虑了荷能电子和气体之间的相互作用以及不同材料表面的二次电子发射。目前，针对微波等离子体的仿真软件中，一部分软件，如Spark3D、Vsim等不考虑空间静电场效应；而包括CST在内的一部分仿真软件对空间电荷所产生的静电场采用的求解方法为通过迭代法求解电荷的三维泊松方程。常用的迭代方法有牛顿迭代、雅可比迭代、超松弛迭代和龙格库塔法等。对于电位的求解通常是整个程序中最费时的步骤。
[0006]传统的空间电位求解是采用迭代的方法更新差分形式的泊松方程，直到最后电位收敛得到空间电位分布。由于空间网格较大，迭代求解过程通常需要消耗较大的计算量。

技术实现思路

[0007]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种微波载荷低气压放电空间电位的轻量化确定方法，解决空间微波部件在大功率工况下的低气压放电仿真中，积累电荷所产生的空间电位求解困难的问题。
[0008]本专利技术解决技术的方案是：一种微波载荷低气压放电空间电位的轻量化确定方法，该方法步骤如下：
[0009]定义任一空间直角坐标系作为放电空间坐标系，基于低气压放电所产生空间电荷的过程,获得微波载荷低气压放电空间的电荷分布；
[0010]考虑空间电荷位置在电场和磁场推进下的动态变化，解算瞬时变化后微波载荷低气压放电空间的空间电荷分布；
[0011]将瞬时变化后微波载荷低气压放电空间的所有电荷进行三维线性单元网格化归，得到空间网格电荷分布；
[0012]采用高斯定理对每一个单元网格上的元电荷进行独立求解，获得每一个网格点上元电荷的空间电位形式，根据空间电位叠加性原理，将单元网格划归的空间网格电荷分布与空间元电荷的电位数据进行对应乘积叠加，获得所有电荷合成后的空间电位；
[0013]对放电空间坐标系三个坐标轴方向的电位差分，获得空间电荷场分布。
[0014]优选地，所述微波载荷低气压放电空间的空间电荷分布包括电子轰击介质材料表面的沉积电荷分布，在放电空间坐标系下，微波载荷表面电子入射位置(x
se
,y
se
,z
se
)沉积的电荷ρ
se
(x
se
,y
se
,z
se
)为：
[0015]ρ
se
(x
se
,y
se
,z
se
)＝q
e
·
(1
‑
δ)
[0016]其中，q
e
为电子电荷量，δ为电子二次电子产额。
[0017]优选地，所述电子二次电子产额δ通过试验获得实验测试的二次电子产额曲线拟合出下述方程得到：
[0018][0019]式中，θ
p
为电子入射角度，E为入射电子能量，δ
max
为最大二次电子产额值，E
max
为最大二次电子产额对应的入射电子能量，R
p
为散射程系数，E
RL
为当入射电子能量为0时对应的产额能量因子，δ0当入射电子能量为0时对应的二次电子产额，α散射程能量关系指数。
[0020]优选地，所述微波载荷低气压放电空间的空间电荷还包括动态气体分布以及电子碰撞气体分子产生的空间电离电荷，计算方法为：
[0021]计算微波载荷低气压放电空间区域内的总气体密度Q
total
；
[0022]根据开放式微带电路表面气体分布水平方向均匀、高度方向按照指数衰减的原理，计算气密密度分布n
gas
(x,y,z)，(x,y,z)为放电空间坐标系中的位置；
[0023]选择单原子气体氧作为气体分子，获取空间真空环境下的解吸过程化学方程式，根据解析过程的截面数据得到电子与气体碰撞的平均自由程，产生随机数，根据随机数和
截面数据，获得电子与气体发生电离碰撞的类型，以及每次碰撞间运动的距离从而确定电离电荷在放电空间坐标系中的具体位置(x
e
‑
gas
,y
e
‑
gas
,z
e
‑
gas
)；
[0024]根据电子与气体发生电离碰撞的类型确定电离电荷在放电空间坐标系中的位置(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微波载荷低气压放电空间电位的轻量化确定方法，其特征在于步骤如下：定义任一空间直角坐标系作为放电空间坐标系，基于低气压放电所产生空间电荷的过程,获得微波载荷低气压放电空间的电荷分布；考虑空间电荷位置在电场和磁场推进下的动态变化，解算瞬时变化后微波载荷低气压放电空间的空间电荷分布；将瞬时变化后微波载荷低气压放电空间的所有电荷进行三维线性单元网格化归，得到空间网格电荷分布；采用高斯定理对每一个单元网格上的元电荷进行独立求解，获得每一个网格点上元电荷的空间电位形式，根据空间电位叠加性原理，将单元网格划归的空间网格电荷分布与空间元电荷的电位数据进行对应乘积叠加，获得所有电荷合成后的空间电位；对放电空间坐标系三个坐标轴方向的电位差分，获得空间电荷场分布。2.根据权利要求1所述的一种微波载荷低气压放电空间电位的轻量化确定方法，其特征在于所述微波载荷低气压放电空间的空间电荷分布包括电子轰击介质材料表面的沉积电荷分布，在放电空间坐标系下，微波载荷表面电子入射位置(x
se
,y
se
,z
se
)沉积的电荷ρ
se
(x
se
,y
se
,z
se
)为：ρ
se
(x
se
,y
se
,z
se
)＝q
e
·
(1
‑
δ)其中，q
e
为电子电荷量，δ为电子二次电子产额。3.根据权利要求2所述的一种微波载荷低气压放电空间电位的轻量化确定方法，其特征在于所述电子二次电子产额δ通过试验获得实验测试的二次电子产额曲线拟合出下述方程得到：式中，θ
p
为电子入射角度，E为入射电子能量，δ
max
为最大二次电子产额值，E
max
为最大二次电子产额对应的入射电子能量，R
p
为散射程系数，E
RL
为当入射电子能量为0时对应的产额能量因子，δ0当入射电子能量为0时对应的二次电子产额，α散射程能量关系指数。4.根据权利要求1所述的一种微波载荷低气压放电空间电位的轻量化确定方法，其特征在于所述微波载荷低气压放电空间的空间电荷还包括动态气体分布以及电子碰撞气体分子产生的空间电离电荷，计算方法为：计算微波载荷低气压放电空间区域内的总气体密度Q
total
；根据开放式微带电路表面气体分布水平方向均匀、高度方向按照指数衰减的原理，计算气密密度分布n
gas
(x,y,z)，(x,y,z)为放电空间坐标系中的位置；选择单原子气体氧作为气体分子，获取空间真空环境下的解吸过程化学方程式，根据解析过程的截面数据得到电子与气体碰撞的平均自由程，产生随机数，根据随机数和截面数据，获得电子与气体发生电离碰撞的类型，以及每次碰撞间运动的距离从而确定电离电荷在放电空间坐标系中的具体位置(x
e
‑
gas
,y
e
‑
gas
,z
e
‑
gas
)；根据电子与气体发生电离碰撞的类型确定电离电荷在放电空间坐标系中的位置(x
e
‑
gas
,y
e
‑
gas
,z
e
‑
gas
)处产生的电离电荷。
5.根据权利要求4所述的一种微波载荷低气压放电空间电位的轻量化确定方法，其特征在于电离电荷在放电空间坐标系中的位置(x
e
‑
gas
,y
e
‑
gas
,z
e
‑
gas
)处产生的电离电荷ρ
e
‑
gas
(x
e
‑
gas
,y
e
‑
gas
,z
e
‑
gas
)为：ρ
e
‑
gas
(x
e
‑
gas
,y
e
‑
gas
,z
e
‑
gas
)＝q
e
·
(N
e
‑
gas
)其中，q
e
为电子电荷量，N
e
‑
gas
为电离的电荷数值，当电子与气体发生电离碰撞的类型为电离时，N
e
‑
gas
＝1，否则，N
e
‑
gas
＝0。6.根据权利要求4所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：封国宝，李韵，李小军，李军，李琪，苗光辉，李亚峰，
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：