[发明专利]一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法

说明书

本发明提出一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，不同于目前采用金属等效介质材料的方法，本发明考虑了微波部件中带电粒子碰撞介质材料，产生二次电子发射后的电荷积累效应，并对该电荷积累效应产生的静电场进行计算，耦合到粒子推进过程中，能够计算得到更准确的微放电阈值。同时，获得精确的电磁场和磁性材料的外加偏置静磁场，采用少量电子的蒙特卡罗碰撞进行轨迹追踪，并忽略空间电荷效应，实现微放电的快速计算，还能够开展包括铁氧体环行器在内的介质材料加载微波部件的微放电阈值计算。

技术领域

本发明涉及一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，属于空间微波部件可靠性研究技术领域。

背景技术

从基本物理问题来看，介质填充微波部件中的微放电过程是电子与介质表面碰撞产生二次电子，同时在介质表层积累正电荷，二次电子出射后在微波场和表面电荷产生的静态场共同作用下倍增运动的过程。与金属部件相比，介质填充部件的分析需要额外考虑介质表面的电荷积累以及它所产生的静态场。

到目前为止，对于介质填充微波部件中微放电问题的研究工作并不多，大多数研究工作都集中在与之相类似的微波介质窗和介质填充加速结构方面。微波介质窗和介质填充加速结构中的场分布与介质填充微波部件不同，微波电场与介质表面基本上都是平行的。其相关研究主要集中在工程上如何提高击穿阈值、介质窗的内外表面放电的区别分析、部件结构优化和介质表面吸收功率比例分析等方面。

在介质材料加载微波部件的研究方面，国外研究人员采用传统动力学分析方法和单粒子轨迹追踪法分析了介质填充平行板传输线中的微放电问题，计算获得不同介质材料相应的平板传输线中的微放电敏感区域。2012年，研究人员采用蒙特卡罗方法研究了同轴双模介质谐振腔的微放电，得到其微放电阈值高于平板结构阈值的结论。由欧空局组织开发的快速分析软件在计算介质加载微波部件时，将介质材料等效为金属材料，不能准确分析微放电阈值。

总之，在介质材料加载微波部件的微放电分析研究方面，不仅公开报道的研究工作较少，而且主要局限于平行平板传输线情况。研究方法方面主要为基于传统动力学的理论分析方法和蒙特卡罗模拟。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种介质材料加载微波部件微放电阈值的快速计算方法，解决了介质加载微波部件中表面电荷积累导致微放电难以快速计算的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种介质材料加载微波部件微放电阈值快速确定方法，步骤如下：

(1)建立加载介质材料微波部件的电磁仿真模型，获得微波部件中的外加电磁场分布和边界条件信息；

具体过程如下：

(1.1)仿真计算得到微波部件内的频域电磁场，导出频域电磁场的结果和边界条件信息，按照直六面体网格形式存储，并将频域电磁场信息转换为时域电磁场；

(1.2)依据步骤(1.1)中导出的直六面体网格各节点上的电磁场，通过插值获得微波部件内部任意点的电场和磁场；

(2)预设初始自由电子，将初始电子放到所述时域电磁场中，计算得到微波部件内部的每个电子所受的洛伦兹力，根据初始电子受到的洛伦兹力，得到初始电子的初始速度和初始位置；

(3)根据第i个初始电子在预设的时间步长Δt内，i＝1,2,3,…,m，m为预设的初始电子个数，从初始位置运动到另一个位置的位移判断该初始电子是否与微波部件内表面边界发生碰撞，若初始电子在Δt内运动的位移大于或等于它的初始位置到边界的距离，则发生碰撞，进入步骤(4)；若初始电子在Δt内运动的位移小于初始位置到边界的距离，则没有发生碰撞，将该初始电子当前时间步长结束时的速度和位置保存，进入步骤(8)；

(4)判断边界是否为金属材料边界，若碰撞边界为金属边界，则进入步骤(5)，若碰撞边界为介质边界，则进入步骤(6)；