一种预测腔体滤波器微放电阈值的方法技术

本发明专利技术公开了一种预测腔体滤波器微放电阈值的方法，包括确定微放电数值模拟参数、建立腔体滤波器粒子模拟区域、进行微放电数值模拟、记录微放电数值模拟过程中随时间变化的二次电子发射并进行数值处理、微放电阈值功率自动扫描与预测；其以腔体滤波器几何模型与粒子模拟区域为基础，结合金属材料二次电子发射特性，利用粒子模拟技术，设计了腔体滤波器微放电数值模拟与阈值功率判断方法，实现了腔体滤波器微放电阈值的准确数值分析与预测，大大缩短了研制周期、节约了高昂的微放电实验费用，非常适用于复杂结构腔体滤波器微放电阈值预测与大功率微波部件微放电设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及空间特殊效应应用领域，尤其涉及一种预测腔体滤波器微放电阈值的数值模拟方法。
技术介绍
微放电是真空环境下在微波器件内由于二次电子发射产生的一种空间特殊效应。 微放电发生时会带来底噪增高、信号恶化等缺陷，甚至导致微波器件的永久损坏。为了在部件设计之初消除微放电隐患，提高微波部件的可靠性与使用寿命，必须预测微波部件的微放电阈值并加以避免。尤其对于腔体滤波器而言，由于其电磁场分布复杂，简单的近似等效无法预测其微放电阈值。目前，预测同轴腔体滤波器与多阶脊波导滤波器等复杂结构腔体滤波器的微放电阈值主要通过反复进行微放电实验得到，实验周期长、研制经费高昂，严重阻碍了空间应用腔体滤波器向更大功率容量的发展。查阅专利数据库与文献，在数据库中分别搜索“Multipactor”、“Multipactor Threshold”、“微放电”和“微放电阈值”,可以发现多篇关于微放电阈值的文章。其中，针对大功率微波部件，业内传统的微放电余量设计与阈值功率预测通常基于欧洲空间局提出的敏感曲线进行(ESA-ESTEC, Space Engineering Multipacting Design and Test, vol. ECSS-20-01A, ESA Publication Division, the Netherlands, 2003.) 该曲线基于无穷大平行平板理想模型与均匀时谐电场变化假设，忽略磁场作用，结合微波部件最窄间距处物理尺寸与工作频点，建立电子在平行平板间运动的解析求解方程并具体求解，通过假设功率增加至电子在最窄间距处运动与金属平板发生碰撞时二次电子产额约等于I时将发生微放电，实现微波部件微放电阈值预测，与本专利技术方法存在本质不同。同时该方法所作物理近似多，理论模型简单，预测精度有限，不适用于复杂结构、强谐振结构微波部件微放电阈值预测。其他进行大功率微波部件微放电阈值预测研究的主要研究机构有瑞士的 Chalmers理工大学,西班牙Valencia大学,俄罗斯科学院应用物理所(IAP)、通用物理所 (IGP)，美国Michigan大学。其中，涉及预测微放电阈值的研究主要有Semenov与Sazontov等人提出的’MuLSl’软件，P6rez与Vicente等人基于微波传输线研究的微放电三维数值模拟方法，以及Gusarova与Isaev等人针对非对称射频结构进行微放电数值模拟方法研究，均采用对单个初始电子的运动轨迹进行追踪，并记录每次碰撞的二次电子产额，通过设置大量初始电子并对总的二次电子产额求平均，若平均值大于I 则认为发生微放电，该方法与本专利技术方法理论模型不同，同时该方法存在一定的随机偏差， 随着仿真时间的改变与初始电子数的改变，微放电阈值预测值存在一定偏差。Perez与Vicente等人基于同轴传输线系统提出了微放电阈值的预测方法,通过记录微波部件中所有电子数目随时间的变化进行微放电判断，该方法与本专利技术方法存在不同，同时该方法耗费仿真时间长，阈值判断基于研究者经验进行，不能进行自动判断。CN 102930100 A书明说2/5页Frotanpour与Dadashzadeh等人基于椭圆波导提出的2维微放电数值模拟方法， 通过Monte Carlo数值计算方法与有效电子方法进行微放电解析求解，建立单个初始电子的轨迹公式，同样采用对单个初始电子每次碰撞二次电子产额求平均的方式进行微放电阈值判定，与本专利技术方法存在不同。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供，该方法能够简化腔体滤波器的微放电设计过程，缩短研制周期，大幅度降低研发成本，适合各种腔体滤波器的微放电设计。本专利技术的上述目的是通过如下技术方案予以实现的，包括下列步骤a.设置输入腔体滤波器的初始电磁信号及其频率&、仿真时间T、时间步长t0、总时间步Nt、输入功率P0及其功率扫描范围P1 P2, P1 ^ P0 ^ P2 ；b.对腔体滤波器进行三维几何建模，设置腔体滤波器的金属材料与金属材料的二次电子发射理论模型，在腔体滤波器中空部分建立粒子模拟区域，将三维几何模型与粒子模拟区域剖分成多个六面体网格，粒子随机分布在粒子模拟区域；c.对上述建立的模型按时间步迭代进行微放电数值模拟，达到仿真时间T后结束数值模拟，然后转入步骤d;在每一个时间步η (I ^ n ^ Nt)进行的微放电数值模拟包括(i)求解时域有限差分离散形式的麦克斯韦方程得到每一个网格节点和网格线处的电场值和磁场值，求解时域差分离散形式的牛顿_洛伦兹方程得到每一个粒子的位移与动量;(ii)根据粒子的位移判断粒子是否与腔体滤波器碰撞，若发生碰撞，根据碰撞时粒子的动量与金属材料的二次电子发射理论模型得到出射的二次粒子产额和二次粒子的能量与相位分布，累计所有发生碰撞的粒子数Mi (η)，所有出射的二次粒子的总数Ms (η)；M ( )d.求解平均二次电子发射Ma(n)，其中=本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预测腔体滤波器微放电阈值的方法，其特征在于，包括下列步骤：a.设置输入腔体滤波器的初始电磁信号及其频率f0、仿真时间T、时间步长t0、总时间步Nt、输入功率P0及其功率扫描范围P1～P2，P1≤P0≤P2；b.对腔体滤波器进行三维几何建模，设置腔体滤波器的金属材料与金属材料的二次电子发射理论模型，在腔体滤波器中空部分建立粒子模拟区域，将三维几何模型与粒子模拟区域剖分成多个六面体网格，粒子随机分布在粒子模拟区域；c.按时间步迭代进行微放电数值模拟，达到仿真时间T后结束数值模拟，然后转入步骤d；在每一个时间步n(1≤n≤Nt)进行的微放电数值模拟包括：(i)求解时域有限差分离散形式的麦克斯韦方程得到每一个网格节点和网格线处的电场值和磁场值，求解时域差分离散形式的牛顿？洛伦兹方程得到每一个粒子的位移与动量；(ii)根据粒子的位移判断粒子是否与腔体滤波器碰撞，若发生碰撞，根据碰撞时粒子的动量与金属材料的二次电子发射理论模型得到出射的二次粒子产额和二次粒子的能量与相位分布，累计所有发生碰撞的粒子数M1(n)，所有出射的二次粒子的总数Ms(n)；d.求解平均二次电子发射Ma(n)，其中(1≤n≤Nt)，对平均二次电子发射进行内插均值处理，具体方法如下：设置内插时间步N1(2≤N1＜Nt)，从Ma(n)开始，依次取其及以后N1？1个时间步的平均值作为内插均值二次电子发射Ma1(n)，其中1≤n≤(Nt？N1+1)；e.根据初始电磁信号的频率f0设置粒子雪崩效应判定起始点Nm，设置微放电阈值判断基数M2，M2≥1，从粒子雪崩效应判定起始点Nm开始对Ma1(n)与M2进行比较，若在Nm≤n≤(Nt？N1+1)的范围内，Ma1(n)小于M2，输入功率为P0时不发生微放电，若在Nm≤n≤(Nt？N1+1)的范围内，Ma1(n)大于M2，输入功率为P0时发生微放电；f.令输入功率P0在设置的功率扫描范围内由P1开始以第一间隔步进，分别进行步骤c至步骤e，若扫描至输入功率为P3(P1≤P3≤P2)时不发生微放电，扫描至P4(P3＜P4≤P2)时发生微放电，从P3开始，以第二间隔步进，分别进行步骤c至步骤e，若输入功率为P5时不发生微放电，为P6时发生微放电，则预测P5为腔体滤波器的微放电阈值，若输入功率步进至P2时仍未发生微放电，则预测在功率扫描范围P1～P2内不发生微放电。FSA00000798175200011.tif,FSA00000798175200012.tif...

【技术特征摘要】
1.一种预测腔体滤波器微放电阈值的方法，其特征在于，包括下列步骤 a.设置输入腔体滤波器的初始电磁信号及其频率&、仿真时间T、时间步长h、总时间步Nt、输入功率P。及其功率扫描范围P1 P2，P1 ^ P0 ^ P2 ; b.对腔体滤波器进行三维几何建模，设置腔体滤波器的金属材料与金属材料的二次电子发射理论模型，在腔体滤波器中空部分建立粒子模拟区域，将三维几何模型与粒子模拟区域剖分成多个六面体网格，粒子随机分布在粒子模拟区域； c.按时间步迭代进行微放电数值模拟，达到仿真时间T后结束数值模拟，然后转入步骤d; 在每一个时间步η (I ^ n ^ Nt)进行的微放电数值模拟包...

【专利技术属性】
技术研发人员：李韵，王新波，崔万照，
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：