專利名稱：一種預(yù)測腔體濾波器微放電閾值的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間特殊效應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種預(yù)測腔體濾波器微放電閾值的數(shù)值模擬方法。
背景技術(shù)：
微放電是真空環(huán)境下在微波器件內(nèi)由于二次電子發(fā)射產(chǎn)生的一種空間特殊效應(yīng)。 微放電發(fā)生時會帶來底噪增高、信號惡化等缺陷，甚至導(dǎo)致微波器件的永久損壞。為了在部件設(shè)計之初消除微放電隱患，提高微波部件的可靠性與使用壽命，必須預(yù)測微波部件的微放電閾值并加以避免。
尤其對于腔體濾波器而言，由于其電磁場分布復(fù)雜，簡單的近似等效無法預(yù)測其微放電閾值。目前，預(yù)測同軸腔體濾波器與多階脊波導(dǎo)濾波器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)腔體濾波器的微放電閾值主要通過反復(fù)進行微放電實驗得到，實驗周期長、研制經(jīng)費高昂，嚴重阻礙了空間應(yīng)用腔體濾波器向更大功率容量的發(fā)展。
查閱專利數(shù)據(jù)庫與文獻，在數(shù)據(jù)庫中分別搜索“Multipactor”、“Multipactor Threshold”、“微放電”和“微放電閾值”,可以發(fā)現(xiàn)多篇關(guān)于微放電閾值的文章。其中，針對大功率微波部件，業(yè)內(nèi)傳統(tǒng)的微放電余量設(shè)計與閾值功率預(yù)測通常基于歐洲空間局提出的敏感曲線進行(ESA-ESTEC, Space Engineering Multipacting Design and Test, vol. ECSS-20-01A, ESA Publication Division, the Netherlands, 2003.) 該曲線基于無窮大平行平板理想模型與均勻時諧電場變化假設(shè)，忽略磁場作用，結(jié)合微波部件最窄間距處物理尺寸與工作頻點，建立電子在平行平板間運動的解析求解方程并具體求解，通過假設(shè)功率增加至電子在最窄間距處運動與金屬平板發(fā)生碰撞時二次電子產(chǎn)額約等于I時將發(fā)生微放電，實現(xiàn)微波部件微放電閾值預(yù)測，與本發(fā)明方法存在本質(zhì)不同。同時該方法所作物理近似多，理論模型簡單，預(yù)測精度有限，不適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)、強諧振結(jié)構(gòu)微波部件微放電閾值預(yù)測。
其他進行大功率微波部件微放電閾值預(yù)測研究的主要研究機構(gòu)有瑞士的 Chalmers理工大學(xué),西班牙Valencia大學(xué),俄羅斯科學(xué)院應(yīng)用物理所(IAP)、通用物理所 (IGP)，美國Michigan大學(xué)。其中，涉及預(yù)測微放電閾值的研究主要有
Semenov與Sazontov等人提出的’MuLSl’軟件，P6rez與Vicente等人基于微波傳輸線研究的微放電三維數(shù)值模擬方法，以及Gusarova與Isaev等人針對非對稱射頻結(jié)構(gòu)進行微放電數(shù)值模擬方法研究，均采用對單個初始電子的運動軌跡進行追蹤，并記錄每次碰撞的二次電子產(chǎn)額，通過設(shè)置大量初始電子并對總的二次電子產(chǎn)額求平均，若平均值大于I 則認為發(fā)生微放電，該方法與本發(fā)明方法理論模型不同，同時該方法存在一定的隨機偏差， 隨著仿真時間的改變與初始電子數(shù)的改變，微放電閾值預(yù)測值存在一定偏差。
Perez與Vicente等人基于同軸傳輸線系統(tǒng)提出了微放電閾值的預(yù)測方法,通過記錄微波部件中所有電子數(shù)目隨時間的變化進行微放電判斷，該方法與本發(fā)明方法存在不同，同時該方法耗費仿真時間長，閾值判斷基于研究者經(jīng)驗進行，不能進行自動判斷。CN 102930100 A書明說2/5頁
Frotanpour與Dadashzadeh等人基于橢圓波導(dǎo)提出的2維微放電數(shù)值模擬方法， 通過Monte Carlo數(shù)值計算方法與有效電子方法進行微放電解析求解，建立單個初始電子的軌跡公式，同樣采用對單個初始電子每次碰撞二次電子產(chǎn)額求平均的方式進行微放電閾值判定，與本發(fā)明方法存在不同。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種預(yù)測腔體濾波器微放電閾值的方法，該方法能夠簡化腔體濾波器的微放電設(shè)計過程，縮短研制周期，大幅度降低研發(fā)成本，適合各種腔體濾波器的微放電設(shè)計。
本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的
一種預(yù)測腔體濾波器微放電閾值的方法，包括下列步驟
a.設(shè)置輸入腔體濾波器的初始電磁信號及其頻率&、仿真時間T、時間步長t0、總時間步Nt、輸入功率P0及其功率掃描范圍P1 P2, P1 ^ P0 ^ P2 ；
b.對腔體濾波器進行三維幾何建模，設(shè)置腔體濾波器的金屬材料與金屬材料的二次電子發(fā)射理論模型，在腔體濾波器中空部分建立粒子模擬區(qū)域，將三維幾何模型與粒子模擬區(qū)域剖分成多個六面體網(wǎng)格，粒子隨機分布在粒子模擬區(qū)域；
c.對上述建立的模型按時間步迭代進行微放電數(shù)值模擬，達到仿真時間T后結(jié)束數(shù)值模擬，然后轉(zhuǎn)入步驟d;
在每一個時間步η (I ^ n ^ Nt)進行的微放電數(shù)值模擬包括
(i)求解時域有限差分離散形式的麥克斯韋方程得到每一個網(wǎng)格節(jié)點和網(wǎng)格線處的電場值和磁場值，求解時域差分離散形式的牛頓_洛倫茲方程得到每一個粒子的位移與動量;
(ii)根據(jù)粒子的位移判斷粒子是否與腔體濾波器碰撞，若發(fā)生碰撞，根據(jù)碰撞時粒子的動量與金屬材料的二次電子發(fā)射理論模型得到出射的二次粒子產(chǎn)額和二次粒子的能量與相位分布，累計所有發(fā)生碰撞的粒子數(shù)Mi (η)，所有出射的二次粒子的總數(shù)Ms (η)；M ( )
d.求解平均二次電子發(fā)射Ma(n)，其中=
權(quán)利要求
1.一種預(yù)測腔體濾波器微放電閾值的方法，其特征在于，包括下列步驟 a.設(shè)置輸入腔體濾波器的初始電磁信號及其頻率&、仿真時間T、時間步長h、總時間步Nt、輸入功率P。及其功率掃描范圍P1 P2，P1 ^ P0 ^ P2 ; b.對腔體濾波器進行三維幾何建模，設(shè)置腔體濾波器的金屬材料與金屬材料的二次電子發(fā)射理論模型，在腔體濾波器中空部分建立粒子模擬區(qū)域，將三維幾何模型與粒子模擬區(qū)域剖分成多個六面體網(wǎng)格，粒子隨機分布在粒子模擬區(qū)域； c.按時間步迭代進行微放電數(shù)值模擬，達到仿真時間T后結(jié)束數(shù)值模擬，然后轉(zhuǎn)入步驟d; 在每一個時間步η (I ^ n ^ Nt)進行的微放電數(shù)值模擬包括 (i)求解時域有限差分離散形式的麥克斯韋方程得到每一個網(wǎng)格節(jié)點和網(wǎng)格線處的電場值和磁場值，求解時域差分離散形式的牛頓-洛倫茲方程得到每一個粒子的位移與動量; ( )根據(jù)粒子的位移判斷粒子是否與腔體濾波器碰撞，若發(fā)生碰撞，根據(jù)碰撞時粒子的動量與金屬材料的二次電子發(fā)射理論模型得到出射的二次粒子產(chǎn)額和二次粒子的能量與相位分布，累計所有發(fā)生碰撞的粒子數(shù)M1 (η)，所有出射的二次粒子的總數(shù)Ms (η)； d.求解平均二次電子發(fā)射]\^(11)，其中
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種預(yù)測腔體濾波器微放電閾值的方法，其特征在于，所述第一間隔為3dB，所述第二間隔為X dB,0. I ^ O. 5。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種預(yù)測腔體濾波器微放電閾值的方法，包括確定微放電數(shù)值模擬參數(shù)、建立腔體濾波器粒子模擬區(qū)域、進行微放電數(shù)值模擬、記錄微放電數(shù)值模擬過程中隨時間變化的二次電子發(fā)射并進行數(shù)值處理、微放電閾值功率自動掃描與預(yù)測；其以腔體濾波器幾何模型與粒子模擬區(qū)域為基礎(chǔ)，結(jié)合金屬材料二次電子發(fā)射特性，利用粒子模擬技術(shù)，設(shè)計了腔體濾波器微放電數(shù)值模擬與閾值功率判斷方法，實現(xiàn)了腔體濾波器微放電閾值的準確數(shù)值分析與預(yù)測，大大縮短了研制周期、節(jié)約了高昂的微放電實驗費用，非常適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)腔體濾波器微放電閾值預(yù)測與大功率微波部件微放電設(shè)計。
文檔編號G06F17/50GK102930100SQ201210429170
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者李韻, 王新波, 崔萬照 申請人:西安空間無線電技術(shù)研究所