[发明专利]一种预测微放电阈值的共形边界电磁场插值方法

说明书

本发明公开了一种预测微放电阈值的共形边界电磁场插值方法。采用的技术方案为：首先对微波部件几何结构进行离散剖分以构成相应的Yee网格，然后从3D建模软件/电磁模拟软件中导出三角面片边界信息，从电磁模拟软件中输出频域电磁场，根据电场分量存储位置分别构建3套独立的电场六面体网格，根据磁场分量存储位置分别构建3套独立的磁场六面体网格，根据三角面片边界信息对Yee网格进行标识，结合共形网格标识将导出的频域电磁场通过线性外推算法分别计算介质/金属内部区域以及共形边界网格中场网格节点上的电磁场值，并采用电磁场线性内插算法计算粒子所在位置处电磁场，进而获得粒子运动轨迹的精确计算，实现复杂微波部件微放电阈值快速准确预测。

技术领域

本发明属于空间微波部件可靠性研究技术领域，特别涉及一种预测微放电阈值的共形边界电磁场插值方法。

背景技术

目前PIC模拟软件大多采用正交规则网格进行空间剖分，对于复杂形状边界采用阶梯网格来近似。对于器件中常见的球面或弧形电极、正弦慢波结构、圆锥形传输线等不能精确地剖分，考虑到这些部件一般包含真空、金属、介质多种材料，形状也比较复杂，在模拟中需采用共形边界技术准确描述弯曲表面。

在PIC模拟方法中，电磁场推进所使用的电场和磁场参量离散分布在网格节点和网格线上，而粒子在空间中连续运动，某些时候并不一定恰好位于网格节点上，有可能在空间任意位置，因此在求解粒子运动轨迹时，需要通过插值方法来计算粒子所在位置处的电磁场。到目前为止，有多种不同精度的电磁场插值方法，如零阶精度的NGP(Nerest GridPoint)方法、一阶精度的双线性插值法和面积加权法及高阶精度的Lagrange插值法和样条函数法等，其中最常用的是一阶精度的分配方法，但这些方法局限于粒子位置所在的网格节点为真空区域，若共形网格为真空-金属边界，金属导体内的电场为零，若共形网格为真空-介质边界，介质表面积累电荷在真空与介质两侧区域产生的静电场方向相反，而介质内的微波电磁场与器件结构、介质层厚度以及介电常数等影响，如果采用传统的线性内插方式计算电子所受的力，电子受力将受到金属或介质内网格节点电场的影响，进而导致电子运动轨迹不准确，从而影响电子的碰撞动能。

实际上，在粒子推进过程中需要采用真空区域电场，由于介质-真空分界面切向电场连续，因此介质表面网格的节点切向电场插值算法与真空区域相同，通过相邻网格节点上的电场进行线性内插得到；考虑到分界面处法向电场不连续，为了正确计算粒子在真空中所受的力，金属/介质网格节点的法向电场采用介质外(法向法向为真空区域)两个节点电场线性外推。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预测微放电阈值的共形边界电磁场插值方法，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：

一种预测微放电阈值的共形边界电磁场插值方法，包括以下步骤：

步骤1，采用三维建模软件/电磁模拟软件建立待求微波部件模型，然后通过电磁模拟软件求解微波部件中的电磁场分布；

步骤2，将3D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，该网格单元形状为六面体；

步骤3，从3D建模软件/电磁模拟软件中导出的三角面片边界信息采用STL文件格式进行存储，从电磁模拟软件中输出的电场分量放置在Yee网格单元各棱的中间，平行于各棱；磁场分量放置在Yee网格单元各面的中心，平行于各面的法线；同时，根据电场分量存储位置分别构建3套独立的电场六面体网格E_xGrid、E_yGrid、E_zGrid，根据磁场分量存储位置分别构建3套独立的磁场六面体网格B_xGrid、B_yGrid、B_zGrid；

步骤4，根据三角面片边界信息对Yee网格单元Grid[x][y][z]进行标识以确定共形网格单元网格坐标值；