[发明专利]一种微波低气压放电的分析方法

说明书

一种微波低气压放电的分析方法，针对微波低气压放电对场敏感且电子雪崩效应明显的特点，采用时域有限差分法精确计算微波场分布，再联合粒子连续性方程流体模拟微波场环境下低气压放电的过程，能够通过控制电磁场计算的精确度保证了放电分析的精度，通过流体算法，解决了带电粒子数目繁多时微波低气压放电计算效率较低的难题。

技术领域

本发明涉及一种微波低气压放电的分析方法，属于空间大功率微波技术研究技术领域。

背景技术

为了实现航天器的长距离运载、稳定着陆测控，数据深空远距离传输等功能，航天器有效载荷中所应用的微波部件要求更宽的带宽，更高的元件集成度和更大的功率容量，这必然导致微波部件内存在更高的电场密度和更小的间隙尺寸。准确而具有高效的微波低气压放电分析方法将为航天器载荷系统中大功率微波部件的设计提供有力的分析工具。低气压放电效应是影响航天器微波部件稳定性能的重要因素，对微波部件造成的损害通常比较严重，一旦发生，将导致反射功率被微波部件吸收，对部件造成永久性损害。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，缺少对低气压放电效应模拟分析的方法的问题，提出了一种微波低气压放电的分析方法，。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种微波低气压放电的分析方法，步骤如下：

(1)读入目标模型结构，设置电磁场的初始值、气体温度T、气体压强P、边界条件、初始离子数密度初始电子数密度结构材料的二次电子发射系数为γ、，初始电子能量，时间步长Δt,仿真时间，粒子包括电子、离子和激发态粒子，下角标分别为e、ion、exe，对设置完毕后的模型结构进行网格划分；

(2)根据时域有限差分法进行电磁场推进，获取网格划分后任意位置及时间的电场E和磁场H；

(3)求解粒子的连续性方程，获取任意位置处t+Δt时刻的电子通量和数密度离子通量和数密度激发态粒子通量和数密度

(4)根据步骤(3)所得到的电子通量和数密度求解得到电子的平均能量进而得到电子的平均温度T_e；

(5)根据模型结构材料判断边界处是否存在二次电子，若存在，则根据初始电子数密度步骤(3)所得离子数密度及离子边界速度电子边界速度代入边界上的电子连续性方程得到边界二次电子通量再将边界二次电子通量代入步骤1中的粒子连续性方程，得到任意位置处t+Δt时刻的电子通量和数密度否则，直接输出步骤(3)中得到的电子通量和数密度

所述步骤(1)中，根据电磁场输入频率对模型进行等间距交错网格划分，设置主网格节点、对应电位节点、粒子密度节点，网格划分尺寸根据Courant稳定性条件确定。

所述步骤(3)中，求解粒子的连续性方程所需的气体中各粒子的化学反应速率常数k_r、粒子迁移率μ通过求解稳态Boltzmann方程得到,粒子的扩散系数D由爱因斯坦关系式获得。

所述步骤(3)中，将粒子的连续性方程进行时间和空间积分并网格离散后得到粒子连续性方程离散表达式为：

式中，S为各粒子的连续性方程的源项，表达式为：

式中，r表示的是第r个反应过程，k_r表示该反应对应的反应速率常数，N_r表示参加第r个反应过程的粒子种类数，n_r,m表示参加第r个反应过程的第m个粒子的数密度，其中气体中性分子的数密度为n_ε＝P/k_BT。s_r为符号函数，定义为：