CN111709179B - 一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法 - Google Patents

一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法 Download PDF

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Abstract

一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法。采用三维CAD建模软件/电磁场仿真软件建立待求微波部件模型，然后将其以STL格式进行存储，采用电磁场仿真软件求解微波部件中的电磁场分布并将其以频域形式进行导出，然后进行初始化参数设置，主要包括网格剖分、读取边界信息以及电磁场文件、粒子加载参数等。通过对粒子数目与介质表面积累电荷历史变化曲线进行直线与指数曲线拟合，结合拟合信息建立微放电稳定发展判据，实现微放电稳定发展状态准确判断，根据饱和时的空间粒子数目与拟合参数计算出达到微放电中后期的时间，结合前期获得的粒子与介质表面积累电荷的空间分布直接过渡到微放电中期进行模拟，实现微波部件微放电快速计算。

Description

一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法
技术领域
本发明属于空间微波部件可靠性研究技术领域，特别涉及一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法。
背景技术
随着卫星有效载荷向高功率与小型化发展，介质材料及其组成部件在航天微波器件的应用越来越广泛。然而，通信能力的提高和几何尺寸的减小使得卫星系统中发生微放电的可能性骤增。
介质微波部件中一旦发生微放电效应，很可能引起释气，从而进一步产生低气压放电导致器件被烧毁，尤其是在星载设备中，损坏的微波部件难以维修更换，将使星载设备相应功能丧失。因此，微波部件微放电的预防尤为重要，在微波部件设计的时候需要进行微放电分析。准确预测微放电阈值，不但可以保证微波部件的正常工作，还可以最大化利用微波部件的性能。
在介质微波部件微放电模拟中，求解空间电荷、积累电荷及其感应电荷产生的静电场时，需要迭代求解泊松方程，计算量大，计算速度慢。由于微放电起始阶段，空间电荷和介质积累电荷较少，对电子运动的影响较小，因此可以忽略其影响，仅考虑外加射频电磁场的作用；而当微放电发展到一定阶段，空间电荷和积累电荷产生的静电场达到射频电场量级，对电子运动轨迹产生较大影响时，必须考虑其影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法，包括以下步骤：
步骤1，采用三维CAD建模软件/电磁场仿真软件建立待求微波部件模型，然后将其以STL格式进行存储，这里的几何结构建模软件必须具备导出格式为STL的三角面片功能；
步骤2，通过电磁场仿真软件求解微波部件中的电磁场分布并将其以频域形式导出，这里的电磁场仿真软件指的是具备频域电磁场计算及其导出功能；
步骤3，对微波部件几何结构进行离散剖分以构成电磁场计算的交错对偶网格体系，即Yee网格；
步骤4，采用MSAT微放电模拟程序导入步骤1中的几何模型以及步骤2中的电磁场；
步骤5，设置初始加载粒子参数，包括初始加载宏粒子的总数，每个宏粒子所包含的实际电子数目，粒子加载区域，粒子加载开始时间，粒子加载结束时间；
步骤6，建立微放电快速过渡开始判据，判据包括粒子模拟区域中总粒子数目N1以及仿真时间t1；
步骤7，建立微放电快速过渡结束判据，判据为金属微放电饱和时空间粒子数目的十分之一N2,金属微放电饱和时空间粒子数目可以通过理论公式获取；
步骤8，当粒子模拟区域中总粒子数目大于N1且仿真时间超过t1，分别建立粒子数目与介质表面积累电荷拟合数组并进行初始化设置；
步骤9，统计空间中的粒子总数与介质表面积累电荷，然后对粒子数目曲线与积累电荷曲线分别进行直线和指数曲线拟和；
步骤10，建立微放电稳定发展判据；分别判断粒子数目于介质表面积累电荷量是否达到稳定倍增；
步骤11，根据拟合信息与粒子数目N2计算过渡结束时间t2；根据过渡结束时间t2、粒子数目以及积累电荷的拟合信息分别计算空间粒子数目与积累电荷增加因子f1与f2；
步骤12，根据粒子数目与积累电荷增加因子f1与f2分别计算过渡结束时刻对应的空间中粒子数目与介质表面积累电荷；
步骤13，判断是否到达仿真时间，若没有则继续进行微放电过程模拟，直至到达仿真时间为止。
进一步的，步骤8中设置初始拟合数组的容量为5·T/dt，最大拟合数组容量为40·T/dt，采样间隔为dt，其中T代表微波周期，dt代表仿真时间步长，需要特别说明的是，如果发生单阶或者多阶微放电，初始拟合数组的容量设置为5，最大拟合数组容量为40，数据采样间隔为微波周期乘以微放电阶数，且单个微波周期仿真时间步数必须为整数。
进一步的，步骤9中统计空间粒子数目与积累电荷，然后对粒子数目曲线与积累电荷曲线分别进行直线和指数曲线拟合，具体为：
1)若仿真时间超过5个射频周期，空间粒子数目大于3倍的初始加载粒子数目，且仿真时间步长数目等于拟合数组容量时，则对粒子数目与介质表面积累电荷历史曲线分别进行直线和指数曲线拟合，这里定义通过直线拟合粒子数目曲线与积累电荷曲线获得的斜率分别为k1p与k1s，指数曲线拟合获得的斜率分别为k2p与k2s，对应的指数与直线曲线拟合值之差分别为b1p与b1s，在进行指数曲线拟合时首先对纵坐标粒子数目进行取对数计算，然后再对其进行线性拟合，当二者拟合完成后再去计算b1p与b1s值；
2)判断指数曲线拟合中的k2p值是否大于0、指数曲线拟合值是否大于0.95以及指数曲线拟合值与直线拟合参数之差b1p是否大于0.001，若同时满足上述3个条件则进行微放电是否达到稳定发展状态判断，否则根据当前拟合数组的容量是否超过最大拟合数组容量以及指数曲线拟合中的斜率k2p值是否大于0来判断是否增加拟合数组容量，若满足则将下一拟合数组容量增大为当前拟合数组容量的1.5倍，否则将当前拟合数组容量重置为初始值；
3)同理，采用上述方法可对介质表面积累电荷历史曲线进行数据拟合判断，积累电荷可能为负数，在对积累电荷进行指数拟合时必须先取绝对值后再取对数计算。
进一步的，步骤10中建立微放电稳定发展状态判据，具体为：
在进行微放电稳定发展状态过程中，若是第一次进行稳定发展状态判定则将b2p值标记为1，否则判断当前以及上一次的b1p值是否大于0.001且当前b1p值是否大于上一次b1p值，若满足则将b2p值加1；然后去判断k2p值是否大于0，是则将记录符合指数增长次数的参数r1也加1，如果b2p以及r1值大于2且当前时刻粒子数目与历史粒子数目最小值之差大于2倍的初始加载粒子数目，则微放电达到稳定发展状态。
进一步的，步骤13中根据粒子数目与积累电荷增加因子f1与f2分别修改空间中宏粒子权重以及每个网格节点记录的积累电荷量值。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明方法考虑了求解泊松方程，计算量大，计算速度慢的问题，采用数学拟合方法对空间粒子数目与介质表面积累电荷进行直线与指数拟合，根据拟合信息建立微放电稳定发展状态判据，获得粒子数目、粒子空间分布的变化规律，根据饱和时的空间粒子数目与拟合参数计算出达到微放电中后期的时间，根据前期获得的粒子与积累电荷变化规律直接过渡到微放电中期进行模拟，本发明方法也可以针对金属微放电饱和开展微放电物理机制分析。
附图说明
图1为本发明算法中微放电发展过程快速过渡方法计算流程图；
图2为本发明算法中的粒子数目预估模型示意图；
图3为本发明算法中的介质表面积累电荷预估模型示意图；
图4为本发明算法中的粒子数目对比示意图；
图5本发明算法中的介质表面积累电荷对比示意图；
具体实施方式
下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明的具体实施方式进行进一步的解释说明。
本发明分为以下主要步骤：
第一步：利用数学计算中的拟合方法分别对空间中粒子数目与介质表面积累电荷历史变化曲线进行直线拟合与指数拟合；
第二步：建立微放电稳定发展状态判据，获得粒子与介质表面积累电荷空间分布的变化规律；
第三步：根据饱和时的空间粒子数目与拟合参数计算出达到微放电中后期的时间；
第四步：根据前期获得的粒子变化规律直接过渡到微放电中期进行模拟。
第一步中拟合条件为空间粒子数目大于3倍的初始加载粒子数目且仿真时间超过5个微波周期；
第二步中指数曲线拟合值大于0.95，直线拟合值与指数曲线拟合参数之差大于0.001且连续两次满足该条件。
第三步饱和时的空间粒子数目根据金属微放电理论公式进行计算
第四步过渡到微放电中期时不改变宏粒子数目仅改变权重，过渡后的介质表面积累电荷改变方式为过渡前单个网格介质表面积累电荷量乘以增加因子。
本发明在原有介质微波部件微放电阈值计算的基础上，通过引入快速过渡算法，实现了介质微放电快速计算。
图1为本发明提出的一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法计算流程图，步骤如下：
(1)采用三维CAD建模软件/电磁场仿真软件建立待求微波部件模型并以STL格式进行存储；
(2)通过MSAT微放电模拟软件/电磁场仿真软件求解微波部件中的电磁场分布并将其电磁场进行导出，如果采用电磁场仿真软件计算电磁场，则电场与磁场分别保存到格式为.txt文本文件中，且每个文件中的每行包含9个分量，即x、y、z三个方向上的物理坐标、场幅值以及场初始相位；如果采用MSAT微放电模拟软件计算电磁场，则电场与磁场保存到.silo文件中，且该文件中的每行包含15个分量，即x、y、z三个方向上的物理坐标、电场幅值、磁场幅值、电场初始相位以及磁场初始相位；
(3)根据输出的电场、磁场文件中的位置信息对微波部件几何结构进行离散剖分以构成电磁场计算的交错对偶网格体系；
(4)采用MSAT微放电模拟程序导入步骤1中的几何模型并读取步骤2中产生的电磁场；
(5)设置初始加载粒子参数，包括初始加载宏粒子的总数，每个宏粒子所包含的实际电子数目，粒子加载区域，粒子加载开始时间，粒子加载结束时间；
(6)当粒子模拟区域中总粒子数目大于N1且仿真时间超过t1，对拟合数组进行初始化，设置初始拟合数组容量为5·T/dt，最大拟合数组容量为40·T/dt，其中T代表微波周期，dt代表仿真时间步长；需要特别说明的是，如果发生1阶或多阶微放电，初始拟合数组的容量可以设置为5，最大拟合数组容量为40，数据采样间隔为微波周期乘以微放电阶数，且单个微波周期仿真时间步数为整数；
(7)若仿真时间超过5个射频周期，空间中粒子数目大于3倍的初始加载粒子数目，且仿真时间步长数目等于拟合数组容量时，则对粒子数目与积累电荷历史曲线分别进行直线和指数曲线拟合，然后根据拟合信息判断当前粒子数目与积累电荷量是否达到稳定发展状态；
(8)若到达微放电稳定状态，则根据拟合信息与粒子数目N2计算过渡结束时间t2，否则继续进行微放电模拟；
(9)根据过渡结束时间t2、粒子数目以及积累电荷的拟合信息分别计算空间粒子数目与积累电荷增加因子f1与f2；
(10)根据粒子数目与积累电荷增加因子f1与f2分别修改空间中粒子权重以及每个网格节点积累的电荷量。
(11)判断是否到达仿真时间，若没有则继续进行微放电过程模拟，直到到达仿真时间为止。
一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法也适用于金属微放电饱和计算。

Claims (5)

1.一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用三维CAD建模软件/电磁场仿真软件建立待求微波部件模型，然后将其以STL格式进行存储，这里的几何结构建模软件必须具备导出格式为STL的三角面片功能；
步骤2，通过电磁场仿真软件求解微波部件中的电磁场分布并将其以频域形式导出，这里的电磁场仿真软件指的是具备频域电磁场计算及其导出功能；
步骤3，对微波部件几何结构进行离散剖分以构成电磁场计算的交错对偶网格体系，即Yee网格；
步骤4，采用MSAT微放电模拟程序导入步骤1中的几何模型以及步骤2中的电磁场；
步骤5，设置初始加载粒子参数，包括初始加载宏粒子的总数，每个宏粒子所包含的实际电子数目，粒子加载区域，粒子加载开始时间，粒子加载结束时间；
步骤6，建立微放电快速过渡开始判据，判据包括粒子模拟区域中总粒子数目N1以及仿真时间t1；
步骤7，建立微放电快速过渡结束判据，判据为金属微放电饱和时空间粒子数目的十分之一N2,金属微放电饱和时空间粒子数目可以通过理论公式获取；
步骤8，当粒子模拟区域中总粒子数目大于N1且仿真时间超过t1，分别建立粒子数目与介质表面积累电荷拟合数组并进行初始化设置；
步骤9，统计空间中的粒子总数与介质表面积累电荷，然后对粒子数目曲线与积累电荷曲线分别进行直线和指数曲线拟和；
步骤10，建立微放电稳定发展判据；分别判断粒子数目于介质表面积累电荷量是否达到稳定倍增；
步骤11，根据拟合信息与粒子数目N2计算过渡结束时间t2；根据过渡结束时间t2、粒子数目以及积累电荷的拟合信息分别计算空间粒子数目与积累电荷增加因子f1与f2；
步骤12，根据粒子数目与积累电荷增加因子f1与f2分别计算过渡结束时刻对应的空间中粒子数目与介质表面积累电荷；
步骤13，判断是否到达仿真时间，若没有则继续进行微放电过程模拟，直至到达仿真时间为止。
2.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法，其特征在于，步骤8中设置初始拟合数组的容量为5·T/dt，最大拟合数组容量为40·T/dt，采样间隔为dt，其中T代表微波周期，dt代表仿真时间步长，需要特别说明的是，如果发生单阶或者多阶微放电，初始拟合数组的容量设置为5，最大拟合数组容量为40，数据采样间隔为微波周期乘以微放电阶数，且单个微波周期仿真时间步数必须为整数。
3.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法，其特征在于，步骤9中统计空间粒子数目与积累电荷，然后对粒子数目曲线与积累电荷曲线分别进行直线和指数曲线拟合，具体为：
1)若仿真时间超过5个射频周期，空间粒子数目大于3倍的初始加载粒子数目，且仿真时间步长数目等于拟合数组容量时，则对粒子数目与介质表面积累电荷历史曲线分别进行直线和指数曲线拟合，这里定义通过直线拟合粒子数目曲线与积累电荷曲线获得的斜率分别为k1p与k1s，指数曲线拟合获得的斜率分别为k2p与k2s，对应的指数与直线曲线拟合值之差分别为b1p与b1s，在进行指数曲线拟合时首先对纵坐标粒子数目进行取对数计算，然后再对其进行线性拟合，当二者拟合完成后再去计算b1p与b1s值；
2)判断指数曲线拟合中的k2p值是否大于0、指数曲线拟合值是否大于0.95以及指数曲线拟合值与直线拟合参数之差b1p是否大于0.01，若同时满足上述3个条件则进行微放电是否达到稳定发展状态判断，否则根据当前拟合数组的容量是否超过最大拟合数组容量以及指数曲线拟合中的斜率k2p值是否大于0来判断是否增加拟合数组容量，若满足则将下一拟合数组容量增大为当前拟合数组容量的1.5倍，否则将当前拟合数组容量重置为初始值；
3)同理，采用上述方法可对介质表面积累电荷历史曲线进行数据拟合判断，积累电荷可能为负数，在对积累电荷进行指数拟合时必须先取绝对值后再取对数计算。
4.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法，其特征在于，步骤10中建立微放电稳定发展状态判据，具体为：
在进行微放电稳定发展状态过程中，若是第一次进行稳定发展状态判定则将b2p值标记为1，否则判断当前以及上一次的b1p值是否大于0.001且当前b1p值是否大于上一次b1p值，若满足则将b2p值加1；然后去判断k2p值是否大于0，是则将记录符合指数增长次数的参数r1也加1，如果b2p以及r1值大于2且当前时刻粒子数目与历史粒子数目最小值之差大于2倍的初始加载粒子数目，则微放电达到稳定发展状态。
5.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电发展过程快速过渡方法，其特征在于，步骤13中根据粒子数目与积累电荷增加因子f1与f2分别修改空间中宏粒子权重以及每个网格节点记录的积累电荷量值。
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