有效载荷微波器件低气压放电阈值高效预测方法技术

本发明专利技术公开了一种有效载荷微波器件低气压放电阈值高效预测方法，采用数值方法准获取微波器件内部的电磁场分布用以修正电离率、附着率等输运系数，结合电子连续性方程对击穿阈值就行求解，基于区域分解技术对电场变化剧烈的区域进行截取以提高计算效率，解决了现有击穿阈值预测技术效率低及未考虑场分布影响造成的精度较低的局限，最终实现有效载荷微波器件低气压放电阈值的高效准确预测。件低气压放电阈值的高效准确预测。件低气压放电阈值的高效准确预测。

【技术实现步骤摘要】
有效载荷微波器件低气压放电阈值高效预测方法


[0001]本专利技术属于高功率微波器件的电磁仿真技术，特别是一种有效载荷微波器件低气压放电阈值高效预测方法。

技术介绍

[0002]随着空间技术水平的不断提高，一方面无线通信系统中的传输功率不断上升，工作带宽不断增加；另一方面广泛应用于遥感导航、雷达探测、卫星通信的微波电子器件结构日趋复杂。入射电场在不连续结构如狭缝、小孔、调谐螺母等处激增，带来了微波击穿气体放电的风险。近年来，高功率微波越来越接近背景气体的击穿阈值。一旦产生气体放电现象，有效载荷微波器件极易被损毁，伴随生成的等离子体对电磁波产生衰减作用，严重影响微波器件性能乃至整个微波设备的可靠性和安全性。因此针对有效载荷微波器件，使用数值方法对击穿阈值进行预测具有重要意义。
[0003]使用数值方法对高功率微波击穿阈值问题进行分析，具有突出的优势且十分必要。通过理论分析、数值仿真、实验测试三者相结合，可以对高功率微波击穿阈值问题进行系统的分析，从而揭示输运系数等参数对击穿阈值影响的规律。从实际应用的角度出发，对于测试难度较大的实验，通过数值仿真可以对结果进行预测，从而总结变化规律，由此可以缩短设计研发周期，节约实验成本。
[0004]为了准确预测击穿阈值，不同的数值模型和输运系数被采用。在文献1.C.Q ian,D.Z.Ding,Z.H.Fan,and R.S.Chen,“Afluid model simulation ofa simplified plasma limiter based on spectral
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element time
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domain method,”Physics of Plasmas.,vol.22,pp.032111,2015，基于麦克斯韦和流体方程，利用自恰数值模型来讨论矩形波导结构高功率微波击穿特性。如文献2.I.Medina,C.J.J.Hern
á
ndez
‑
G
ó
mez and D.Saucedo
‑
Jim
é
nez,"On Waveguide
’
s Critical Corona Breakdown Thresholds Dependence on the Collision Frequency Between Electrons and Air,"IEEE Transactions on Plasma Science,vol.47,no.3,pp.1611
‑
1615,2019,提出了一种新的碰撞频率修正因子，以使波导结构的击穿阈值解析计算结果与实验结果接近。如文献3.U.Jordan et al.,"On the effective diffusion length for microwave breakdown,"IEEE Transactions on Plasma Science,vol.34,no.2,pp.421
‑
430,2006，使用有效扩散长度对波导结构微波击穿阈值进行预测。现有方法计算整个区域时效率较低，并且未考虑场分布对输运系数造成的影响，时域谱元法采用六面体单元离散网格，可以很好的描述器件的几何外形，采用具有正交性质的基函数测试展开，所生成的质量矩阵具有块对角性质，本征值求解速度较快，在分析高功率微波器件气体击穿阈值问题时具有较大优势。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种有效载荷微波器件低气压放电阈值高效预测方法，实
现有效载荷微波器件击穿阈值的高效准确预测，能够在保证结果精度的条件下降低研发成本，为有效载荷高功率微波器件的设计提供指导。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种有效载荷微波器件低气压放电阈值高效预测方法，包括步骤：
[0007]步骤一：根据有效载荷微波器件的复杂几何模型，采用曲六面体网格对目标进行离散，可以很好拟合目标外形，由电磁分析算法计算获得频域电场分布，根据场模值的最大值对场分布进行归一化处理；
[0008]步骤二：对电子连续性方程作单边Laplace变换并添加电子密度相关边界条件，之后对变换后方程中的电子密度未知量利用基函数进行展开，基函数选用Guass
‑
Lobatto
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Legendre基函数，再利用基函数作为加权函数对方程进行测试，得到半离散格式，对半离散格式中的矩阵对角化并作Laplace反变换得到时域方程，最终将微波击穿阈值的预测问题转化为本征值求解问题；
[0009]步骤三：设置工作压强以及初始入射场强，根据入射波频率、输运系数中碰撞率以及步骤一中获取的归一化电场分布计算有效电场强度，通过有效电场强度计算当前电离率、附着率；
[0010]步骤四：根据场分布和设定的阈值选取场值变化剧烈的区域进行分析(场值大于设定阈值的为变化剧烈的区域)，截取所需计算区域并填充相应矩阵，矩阵本征值求解。
[0011]步骤五：重复步骤四的本征值求解过程，判断所求最小本征值与0的大小。当最小特征值大于0，采用二分法向范围上限更新入射场幅值，反之则向下限更新；
[0012]步骤六：若满足最终收敛判断依据，输出此时入射场强，并根据坡印廷定理进行功率幅值转换得到击穿时的端口入射功率。
[0013]进一步地，所述步骤二中，电子连续性方程可以表示为：
[0014][0015](1)式中n表示电子密度，v
i
表示电离率，v
a
表示附着率，D表示扩散系数，D＝106/p，p为填充气体的压强。
[0016]进一步地，对电子连续性方程作单边Laplace变换可以得到：
[0017][0018]对(2)式添加边界条件，边界处电子密度其中V表示体积。
[0019]进一步地，对(2)式进行基函数展开以及伽辽金测试可以得到半离散格式方程，方程如下：
[0020][0021]其中：
[0022][M]ij
＝∫
V
ψ
i
ψ
j
dV
[0023][0024][N0]＝∫
V
ψ
i
n0dV
[0025]V为单元内的体积分区域，ψ
i
、ψ
j
分别为测试基与展开基，i、j非别为测试基与展开基的下标，M、K、N0为单元系数矩阵。
[0026]进一步地，对(3)式进一步求解可以得到:
[0027][0028](4)式中I为单位阵。
[0029]进一步地，对(5)式中M
‑1K对角化可以得到:
[0030][0031](5)式中P为可逆矩阵，λ
i
为特征值。
[0032]进一步地，对(5)式进行Laplace反变换可以得到时域方程:
[0033][0034]进一步地，所述步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有效载荷微波器件低气压放电阈值高效预测方法，其特征在于，包括步骤：步骤一：根据有效载荷微波器件的复杂几何模型，采用曲六面体网格对目标进行离散，由电磁分析算法计算获得频域电场分布，根据场模值的最大值对场分布进行归一化处理；步骤二：对电子连续性方程作单边Laplace变换并添加电子密度边界条件，之后对变换后方程中的电子密度未知量利用基函数进行展开，基函数选用Guass
‑
Lobatto
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Legendre基函数，再利用基函数作为加权函数对方程进行测试，得到半离散格式方程，对半离散格式方程中的矩阵对角化并作Laplace反变换得到时域方程，最终将微波击穿阈值的预测问题转化为本征值求解问题；步骤三：设置工作压强以及初始入射场强，根据入射波频率、输运系数中碰撞率以及步骤一中获取的归一化电场分布计算有效电场强度，通过有效电场强度计算当前电离率、附着率；步骤四：根据场分布和设定的阈值选取场值变化剧烈的区域进行分析，截取所需计算区域并填充相应矩阵，矩阵本征值求解；步骤五：重复步骤四的本征值求解过程，判断所求最小本征值与0的大小，当最小特征值大于0时，采用二分法向范围上限更新入射场幅值，反之则向下限更新；步骤六：若满足最终收敛判断依据，输出此时入射场强，并根据坡印廷定理进行功率幅值转换得到击穿时的端口入射功率。2.根据权利要求1所述的有效载荷微波器件低气压放电阈值高效预测方法，其特征在于，所述步骤二中电子连续性方程为：式中，n表示电子密度，v
i
表示电离率，v
a
表示附着率，D表示扩散系数，D＝106/p，p为填充气体的压强，i取值是0，1，...，N，N是基函数的阶数。3.根据权利要求2所述的有效载荷微波器件低气压放电阈值高效预测方法，其特征在于，所述步骤二中对电子连续性方程作单边Laplace变换为：对(2)式添加边界条件，边界处电子密度其中V表示体积。4.根据权利要求3所述的有效载荷微波器件低气压放电阈值高效预测方法，其特征在于，所述步骤二中半离散格...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦浩然，张天成，包华广，丁大志，胡文博，刘方琛，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：