一种微波部件微放电阈值确定方法与流程

本发明涉及一种微波部件微放电阈值确定方法，属于电子科学与。

背景技术：

1、随着对超高速数传和超大容量通信的强烈需求，毫米波乃至太赫兹频段频率丰富的资源对于提升通信卫星系统容量非常重要，是发展甚高通量通信和超高速数据传输首选。随着频率的提升，星载微波部件微放电效应的精确分析也将面临新的挑战，由于频率的增加，相同尺寸下微波部件中电子在电磁场中的渡越阶数增加，且电子出射相位的偏离将进一步加剧电子运动轨迹的偏离。传统微放电仿真方法中认为电子在材料中碰撞后即刻出射二次电子，并不包括电子在微波部件材料内部的传输、散射、出射等过程占用的时间。当电子碰撞到微波部件表面并出射的过程所耗费的时间在和微波周期可以相比拟的情况下，二次电子出射时刻已经不再是入射电子的碰撞时刻，二次电子进入微波部件内的电磁场必须随之更新。因此，提出面向高频段微波部件微放电阈值的分析方法对于精确的抗微放电设计具有重要价值，从而避免了微放电引发的谐振类设备失谐、噪声电平抬高、输出功率下降，甚至引发低气压放电，损坏微波部件表面等严重后果。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高频段微波部件微放电阈值确定方法，计入了电子在材料中运动以及发生相互作用的时间，解决了电子在微波部件材料表面及微波部件空间电磁场的相位耦合关系，为高频段下微波部件抗微放电设计提供了新方法。

2、发明的技术方案是：一种微波部件微放电阈值确定方法，包括：

3、(1)将n个种子电子初始状态按照概率分布进行随机化；

4、(2)根据待分析的微波部件结构、输入频率及输入功率，计算微波部件内部的电磁场；

5、(3)设定时间步长δt，根据微波部件中电子受到的电磁场作用，计算得到电子运动轨迹；

6、(4)判断电子是否碰撞到微波部件表面，如果没有碰撞到，返回步骤(3)进行下一个δt，如果碰撞到微波部件表面，记录碰撞时刻电子状态，并进入步骤(5)；

7、(5)根据碰撞时刻电子状态，计算出射二次电子的能量、角度，以及电子与材料的作用时间；

8、(6)更新电子状态，以碰撞位置、出射二次电子能量、角度以及更新后电子的相位作为新电子状态：

9、(7)判断新电子相位是否到达预设的仿真周期，如果没有达到返回步骤(3)继续推进计，如果所有电子相位均达到仿真周期，则统计每个δt时刻的电子数目，并进入步骤(8)；

10、(8)根据电子数目随时间的变化趋势，判断待分析的微波部件在输入的频率和功率下是否发生微放电；如果电子数目随时间保持不变，则认为该输入功率即为该结构微波部件在该输入频率下的微放电阈值；如果电子数目随时间发生变化，则调整输入功率后返回步骤(2)。

11、所述步骤(1)中，将n个种子电子初始状态按照符合的概率分布进行随机化，包括：将电子的初始位置随机化为微波部件内待仿真的空隙任意位置；

12、将电子初始能量按照正态分布概率或其他概率分布进行随机化；

13、将电子初始角度按照反正弦概率分布进行随机化；

14、电子初始方位角按照[0,2π]内均匀分布随机化；

15、将电子初始相位在起始的一个微波周期内均匀分布。

16、所述计算微波部件内部的电磁场时，采用已有电磁计算软件，包括cst、hess，计算并导出内部各网格电磁场数值。

17、所述步骤(3)中，首次计算的电子为种子电子，推进时电子状态为种子电子的初始状态。

18、所述步骤(3)中，电子在电磁场中运动轨迹的推进采用四阶龙格-库塔法或者其他微分方程法求解。

19、所述步骤(3)中，电子推进的起始状态为ψ_be时刻对应的电子状态；推进后电子的状态更新为i*δt对应的电子状态。

20、所述步骤(3)中，电子在电磁场中运动轨迹的推进时间步长为电子推进前的相位ψ_be与i*δt的差值，其中(i-1)*δt≤ψ_be<i*δt，其中i表示时间步长推进时次数。

21、所述步骤(4)中，电子状态包括电子位置、电子能量、电子与部件表面夹角、电子方位角以及电子相位。

22、步骤(5)中，出射二次电子的个数以及对应的能量和角度，通过二次电子发射模型求解，所述二次电子发射模型包括furman模型、vaughan模型；或者通过monte carlo方法计算得到。

23、所述步骤(5)中，电子与材料的作用时间采用阿秒激光测试得到，或monte carlo方法计算得到，或采用电子的射程公式计算得到。

24、所述步骤(6)中，更新后电子的相位为碰撞时电子相位，与电子和材料作用时间之和。

25、所述如果电子数目随时间发生变化，则调整输入功率后返回步骤(2)，包括：如果电子数目随时间不断增长，则认为该功率下会发生微放电，则降低输入功率后返回步骤(2)；如果电子数目随时间不断减小，则认为该功率不会发生微放电，则增加输入功率后返回步骤(2)。

26、本发明与现有技术相比的优点在于：

27、(1)、本发明提出了更完整的仿真微波部件微放电阈值的方法，解决了高频段下电子在微波部件材料表面及微波部件空间电磁场的相位耦合关系，反映了更本质的微放电过程；

28、(2)、本发明方法在微放电仿真过程中计入了电子在材料中运动以及发生相互作用的时间，解决了高频段二次电子发射过程与微波周期相比拟时的时间误差所导致的仿真相位偏离问题；

29、(3)、本发明方法将二次电子出射后的相位同步到轨迹推进时间上，简化了分析过程且计算精度高，对于高频段微波部件的抗微放电设计具有指导意义。

技术特征：

1.一种微波部件微放电阈值确定方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电阈值确定方法，其特征在于：所述步骤(1)中，将n个种子电子初始状态按照符合的概率分布进行随机化，包括：将电子的初始位置随机化为微波部件内待仿真的空隙任意位置；

3.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电阈值确定方法，其特征在于：所述计算微波部件内部的电磁场时，采用已有电磁计算软件，包括cst、hess，计算并导出内部各网格电磁场数值。

4.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电阈值确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，首次计算的电子为种子电子，推进时电子状态为种子电子的初始状态。

5.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电阈值确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，电子在电磁场中运动轨迹的推进采用四阶龙格-库塔法或者其他微分方程法求解。

6.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电阈值确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，电子推进的起始状态为ψ_be时刻对应的电子状态；推进后电子的状态更新为i*δt对应的电子状态。

7.根据权利要求6所述的一种微波部件微放电阈值确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，电子在电磁场中运动轨迹的推进时间步长为电子推进前的相位ψ_be与i*δt的差值，其中(i-1)*δt≤ψ_be<i*δt，其中i表示时间步长推进时次数。

8.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电阈值确定方法，其特征在于：所述步骤(4)中，电子状态包括电子位置、电子能量、电子与部件表面夹角、电子方位角以及电子相位。

9.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电阈值确定方法，其特征在于：步骤(5)中，出射二次电子的个数以及对应的能量和角度，通过二次电子发射模型求解，所述二次电子发射模型包括furman模型、vaughan模型；或者通过monte carlo方法计算得到。

10.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电阈值确定方法，其特征在于：所述步骤(5)中，电子与材料的作用时间采用阿秒激光测试得到，或monte carlo方法计算得到，或采用电子的射程公式计算得到。

11.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电阈值确定方法，其特征在于：所述步骤(6)中，更新后电子的相位为碰撞时电子相位，与电子和材料作用时间之和。

12.根据权利要求1所述的一种微波部件微放电阈值确定方法，其特征在于：所述如果电子数目随时间发生变化，则调整输入功率后返回步骤(2)，包括：如果电子数目随时间不断增长，则认为该功率下会发生微放电，则降低输入功率后返回步骤(2)；如果电子数目随时间不断减小，则认为该功率不会发生微放电，则增加输入功率后返回步骤(2)。

技术总结
一种微波部件微放电阈值确定方法，包括如下步骤：(1)对种子电子状态初始化；(2)分析微波部件内部电磁场；(3)设定时间步长，推进电子运功轨迹；(4)判断电子是否与微波部件表面碰撞，若不碰撞返回(3)；(5)计算发射二次电子能量、角度以及电子与材料作用时间；(6)更新电子状态；(7)判断电子是否达到设定仿真周期；(8)根据电子数目随时间变化趋势判断是否发生微放电。本发明方法更加客观、准确地表征了高频段下微放电效应发生的物理过程，可用于高频段微波部件的抗微放电设计。

技术研发人员：张娜,崔万照,王瑞,白鹤,陈泽煜
受保护的技术使用者：西安空间无线电技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1