CN114186432B - 具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法及系统，采用3D建模软件建立具有微结构表面的介质材料加载微波部件几何模型，利用CST微波工作室的频域求解器模型计算该微波部件中的电磁场分布，将获得的电磁场结果，建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型，计算不同射频电场幅值和相位下的二次电子发射系数曲线，将模拟获得的具有微结构表面介质材料的二次电子发射系数曲线等效结果加入到微放电粒子模拟中，建立了材料表面微观尺度和微波部件尺度关联的快速等效模拟方法，利用该方法，方孔阵列微结构的二次电子发射系数曲线和阈值随表面形貌的变化规律，获得通过对材料表面进行刻槽处理，有效降低材料的二次电子发射系数，提高微放电阈值。

Description

具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法及系统

技术领域

本发明属于空间微波部件可靠性研究技术领域，特别涉及具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法及系统。

背景技术

随着航天器有效载荷向小型化和高通信功率的发展，介质材料及其构成的微波部件(介质谐振滤波器、铁氧体环行器、介质加载波导等)由于具有损耗低、体积小、质量轻、可靠性高等优点，在卫星系统中得到了愈发广泛的应用。为了满足更大功率、更高比特率和更多信道的应用以及小型化设计的需求，未来航天器正朝着微波部件介质化的趋势发展。与此同时，空间大功率微波部件无源系统中潜在的微放电特殊效应已经成为制约系统性能提升的科学难题和关键技术瓶颈，尤其是在航天器通信系统中。

材料的二次电子发射与微波部件中的电磁场分布是导致微放电发生的根源，材料自身性质以及表面微结构决定了二次电子发射特性。对于具有光滑的材料表面结构，当一定能量入射电子轰击到材料表面时，从材料表面出射的二次电子直接返回到器件内部真空区域，而具有粗糙的材料表面，可能会使电子进入某种特殊表面结构形成的“陷阱”中而使产生的二次电子不能顺利进入器件内部空间，从而在总体效果上抑制二次电子发射。

由于金属材料微结构中电磁场为零，具有一定能量入射电子进入微结构时在其内部做匀速运动，入射电子与微结构相互作用产生的二次电子数目取决于微结构物理尺寸以及进入微结构时刻电子的能量和角度。而对于具有微结构表面的介质材料，由于微结构中存在射频电磁场，入射电子进入微结构中在电场和磁场的共同作用下做回旋变速运动，其运动轨迹计算相比于金属微结构中的较为复杂，尤其是磁性介质材料，因此，开展介质材料中微孔的几何结构以及内部射频电磁场对二次电子发射系数的影响，建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型是迫切需要的。此外，对于具有微结构表面的介质材料加载微波部件，由于表面微结构的尺度一般在微米量级，而微波部件的尺度属于毫米或者厘米量级，如果采用统一的时间步长进行粒子模拟计算，整个物理过程涉及表面微观尺度和器件尺度问题，这无疑会消耗大量计算时间。因此，建立材料表面微观尺度二次电子发射和微波器件尺度微放电二者之间的关联关系，是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法及系统，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：

具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，包括以下步骤：

建立具有微结构表面的介质材料加载微波部件物理模型；

模拟具有微结构表面的介质材料加载微波部件内部的电磁场分布，获得的电磁场结果；将微波部件的几何边界与网格剖分所形成的六面体网格进行关联，获得关联信息；

建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型；

建立介质材料表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联，包括将建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型加入到微放电粒子模拟程序中；

电磁场结果和关联信息作为读入初始化文件对程序进行初始化；

根据当前时刻粒子所在网格节点的时域电磁场插值求解粒子所在位置处的电磁场值，求解牛顿洛伦兹力方程，获得这一时间步长内的粒子运动轨迹，进而更新当前时刻粒子位置；

判断粒子是否与微波部件边界发生碰撞，若发生碰撞则根据碰撞位置所在的三角形的材料属性进行二次电子发射处理，否则继续推进粒子，直至仿真时间结束；

判断是否到达设定的仿真时间，若到达则仿真结束，否则继续进行微放电过程模拟；判断当前功率与微放电阈值的关系，若大于则降低输入功率并重复上述过程，否则增加输入功率，直至获得微放电阈值。

进一步的，当碰撞的三角形的材料为金属则根据二次电子发射Vaughan或Furman模型确定出射电子信息，当三角形的材料为介质，根据建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型进行边界处理。

进一步的，出射电子信息出射电子信息包括电子数目和速度。

进一步的，得的电磁场结果保存在“FD_Field.silo”文件中；关联信息保存在“Conformal.silo”文件中。

进一步的，采用3D建模软件建立具有微结构的介质材料加载微波部件物理模型；采用CST微波工作室的频域求解器计算微波部件内部的电磁场分布。

进一步的，建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型：基于蒙特卡罗方法对微结构中的电子运动进行轨迹追踪计算，统计从介质表面和微结构中返回到真空－介质交界面处的二次电子数目。

进一步的，建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型，具体为：

1)在介质表面上方垂直注入一定数目固定能量的电子，其电子位置在微结构表面服从均匀分布；

2)计算粒子运动轨迹，并根据电子运动轨迹判断粒子是否返回到真空－介质交界面处，若返回，统计逃逸出的粒子数目，否则去判断粒子与微结构边界是否发生碰撞，若发生碰撞，根据粒子的碰撞能量、碰撞角度以及材料的二次电子发射系数曲线计算出射的二次电子数目；

3)将新产生的二次电子加入到总的电子数目中，然后再次计算电子运动轨迹，否则继续推进电子，直至微结构中的电子数目减少到零为止。

进一步的，在进行微放电数值模拟之前，首先采用建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型分别计算不同射频电场幅值和相位下的二次电子发射系数曲线，然后将获得的模拟结果加入到微放电粒子模拟程序中，实现表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联。

进一步的，具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟系统，包括：

模型建立模块，用于建立具有微结构表面的介质材料加载微波部件物理模型；

初始文件获得模块，用于模拟具有微结构表面的介质材料加载微波部件内部的电磁场分布，获得的电磁场结果；将微波部件的几何边界与网格剖分所形成的六面体网格进行关联，获得关联信息；

二次电子发射模型建立模块，用于建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型；建立介质材料表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联，包括将建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型加入到微放电粒子模拟程序中；

初始化模块，用于电磁场结果和关联信息作为读入初始化文件对程序进行初始化；根据当前时刻粒子所在网格节点的时域电磁场插值求解粒子所在位置处的电磁场值，求解牛顿洛伦兹力方程，获得这一时间步长内的粒子运动轨迹，进而更新当前时刻粒子位置；

判断模块，用于判断粒子是否与微波部件边界发生碰撞，若发生碰撞则根据碰撞位置所在的三角形的材料属性进行二次电子发射处理，否则继续推进粒子，直至仿真时间结束；判断是否到达设定的仿真时间，若到达则仿真结束，否则继续进行微放电过程模拟；判断当前功率与微放电阈值的关系，若大于则降低输入功率并重复上述过程，否则增加输入功率，直至获得微放电阈值。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明采用3D建模软件建立具有微结构表面的介质材料加载微波部件物理模型，利用CST微波工作室的频域求解器仿真微波部件中的电磁场分布，将将获得的电磁场结果保存在“FD_Field.silo”文件中，建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型，并计算不同射频电场幅值和相位下的二次电子发射系数曲线，并将模拟获得的具有微结构表面介质材料的二次电子发射系数曲线等效结果加入到微放电粒子模拟中，从而实现材料表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联。

本发明方法通过对介质材料表面微结构尺度的蒙特卡罗模拟和微波部件尺度的三维粒子模拟的研究，建立了具有微结构的介质材料二次电子发射系数蒙特卡罗方法和微放电多尺度关联的快速等效模拟方法，利用该方法研究了微结构的二次电子发射系数曲线和阈值随表面形貌的变化规律，获得了通过对材料表面进行刻槽处理，可以有效降低材料的二次电子发射系数，从而提高微放电阈值。

附图说明

图1为本发明方法中具有微结构表面的介质材料加载微波部件微放电快速等效方法计算流程图；

图2为具有微结构表面的介质材料二次电子发射系数蒙特卡罗模拟计算流程；

图3为正方形孔中的电场分布图；

图4为具有方孔微结构表面的介质加载平行平板传输线示意图；

图5为不同模型计算得到的微放电阈值结果图。

具体实施方式

下面结合具体的实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：建立具有微结构表面的介质材料加载微波部件物理模型；

第二步：采用CST微波工作室的频域求解器模型模拟具有微结构表面的介质材料加载微波部件内部的电磁场分布；

第三步：建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射蒙特卡罗模型；

第四步：建立具有微结构表面的介质加载微波部件微放电快速等效模拟方法；

第三步中建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型；基于蒙特卡罗方法对微结构中的电子运动进行轨迹追踪计算，统计从介质表面和微结构中返回到真空－介质交界面处的二次电子数目；

第四步中建立具有微结构表面的介质加载微波部件微放电快速等效模拟方法；在进行微放电数值模拟之前，首先采用建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型分别计算不同射频电场幅值和相位下的二次电子发射系数曲线，然后将获得的模拟结果加入到微放电粒子模拟程序中，实现表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联。此外，考虑到在真实的物理过程中，电子在任意时刻都有可能进入微结构，而在微放电模拟过程中如果计算任意相位下的二次电子发射系数曲线，这无疑会大大增加计算量，为了便于分析，本专利在计算二次电子发射系数曲线时将初始相位在0～2等间隔分为20份，然后采用线性插值方法计算任意相位下的二次电子发射系数值。

本发明从降低材料二次电子发射特性出发，探究方孔微结构的二次电子发射系数曲线和阈值随表面形貌的变化规律，建立了具有微结构表面的介质材料二次电子发射蒙特卡罗方法和微放电多尺度关联的快速等效模拟方法。

图1为本发明提出的具有微结构表面的介质材料加载微波部件微放电快速等效方法计算流程图，步骤如下：

步骤1，采用3D建模软件建立具有微结构的介质材料加载微波部件物理模型；

步骤2，采用CST微波工作室的频域求解器计算步骤1中微波部件内部的电磁场分布，将获得的电磁场结果保存在“FD_Field.silo”文件中；

步骤3，将微波部件的几何边界与网格剖分所形成的六面体网格进行关联，并将建立的关联信息保存在“Conformal.silo”文件中；

步骤4，建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型；

步骤5，建立介质材料表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联；包括将步骤4中建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型加入到微放电粒子模拟程序中；

步骤6，读入初始化文件对程序进行初始化，包括步骤2中的射频电磁场信息和步骤3中的网格与边界的关联信息；

步骤7，电磁场推进，根据当前时刻粒子所在网格节点的时域电磁场插值求解粒子所在位置处的电磁场值；

步骤8，根据步骤6中计算的时域电磁场求解牛顿洛伦兹力方程，获得这一时间步长内的粒子运动轨迹，进而更新当前时刻粒子位置；

步骤9，判断粒子是否与微波部件边界发生碰撞，若发生碰撞则根据碰撞位置所在的三角形的材料属性进行二次电子发射处理，否则继续推进粒子，直至仿真时间结束；当碰撞的三角形的材料为金属则根据二次电子发射Vaughan或Furman模型确定出射电子信息(包括电子数目和速度)，当三角形的材料为介质，根据步骤4中建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型进行边界处理；

步骤10，判断是否到达设定的仿真时间，若到达则仿真结束，否则继续进行微放电过程模拟；

步骤11，判断当前功率与微放电阈值的关系，若大于则降低输入功率并重复步骤5至步骤10过程，否则增加输入功率，直至获得微放电阈值。

本发明采用3D建模软件建立具有微结构表面的介质材料加载微波部件几何模型，利用CST微波工作室的频域求解器模型计算该微波部件中的电磁场分布，将将获得的电磁场结果保存在“FD_Field.silo”文件中，建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型，并计算不同射频电场幅值和相位下的二次电子发射系数曲线，并将模拟获得的具有微结构表面介质材料的二次电子发射系数曲线等效结果加入到微放电粒子模拟中，从而建立了材料表面微观尺度和微波部件尺度关联的快速等效模拟方法，利用该方法研究了方孔阵列微结构的二次电子发射系数曲线和阈值随表面形貌的变化规律，获得了通过对材料表面进行刻槽处理，可以有效降低材料的二次电子发射系数，从而提高微放电阈值。

本发明提出的具有微结构表面的介质材料加载微波部件微放电快速等效方法实施例如下：

为了验证提出方法的有效性，选取具有微结构的介质加载平行平板传输线为研究对象，几何结构如图4所示。仿真参数如下：结构单元尺寸A＝200um，孔隙率ρ＝0.36，正方形孔的宽度w＝120μm，深宽比h/w＝3，真空区域间距d＝1mm，上下两金属表面之间的间距为h＝1.5mm，介质材料的相对介电常数为1，其SEY曲线与金属材料一致，均采用二次电子发射Vaughan模型，其中二次电子发射系数最大值为2.22，对应的电子能量为165eV，第一交叉点能量为30eV。

在进行具有微结构的介质材料微放电数值模拟之前，首先采用上述方法建立具有微结构表面二次电子发射模型分别计算不同射频电场幅值和相位下的SEY曲线，然后将获得的模拟结果加入到微放电粒子模拟程序中，实现表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联。此外，考虑到在真实的物理过程中，电子在任意时刻都有可能进入微结构，而在微放电模拟过程中如果计算任意相位下的SEY曲线，这无疑会大大增加计算量，为了便于分析，本文在计算SEY曲线时将初始相位在0～2π等间隔分为20份，然后采用线性插值方法计算任意相位下的SEY值。

采用提出的方法建立四种物理模型：1)光滑介质表面；2)微结构表面(简化模型1)；3)微结构表面(简化模型2)；4)微结构表面(未简化模型)。其中，简化模型1在进行等效SEY计算时忽略微结构中射频电场，简化模型2在进行等效SEY计算时考虑微结构中射频电场。改变电磁场频率，利用上述微放电粒子模拟方法分别计算不同模型和频率下的微放电阈值，获得的结果如图5所示。另外，需要说明的是，由于本节只关心微结构对初始倍增阈值的影响，因此在计算等效SEY时忽略了介质表面积累电荷的影响。

将简化模型1和2计算的微放电阈值结果和未简化模型结果对比，可以发现：相比于简化模型1，简化模型2计算得到的微放电阈值结果与未简化模型获得的结果误差较小，从而有力的证明了该方法的有效性。此外，对比光滑介质表面模型与简化模型2计算的微放电阈值结果，可以看出，相比于光滑介质表面，简化模型2计算得到微放电阈值有所提高，这也从侧面说明了通过表面处理可以降低材料的SEY，进而可将此表面形貌的材料应用于微波部件中，以提高微放电阈值。

Claims (7)

1.具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立具有微结构表面的介质材料加载微波部件物理模型；

模拟具有微结构表面的介质材料加载微波部件内部的电磁场分布，获得的电磁场结果；将微波部件的几何边界与网格剖分所形成的六面体网格进行关联，获得关联信息；

建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型；

建立介质材料表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联，包括将建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型加入到微放电粒子模拟程序中；

电磁场结果和关联信息作为读入初始化文件对程序进行初始化；

根据当前时刻粒子所在网格节点的时域电磁场插值求解粒子所在位置处的电磁场值，求解牛顿洛伦兹力方程，获得这一时间步长内的粒子运动轨迹，进而更新当前时刻粒子位置；

判断粒子是否与微波部件边界发生碰撞，若发生碰撞则根据碰撞位置所在的三角形的材料属性进行二次电子发射处理，否则继续推进粒子，直至仿真时间结束；

判断是否到达设定的仿真时间，若到达则仿真结束，否则继续进行微放电过程模拟；判断当前功率与微放电阈值的关系，若大于则降低输入功率并重复上述过程，否则增加输入功率，直至获得微放电阈值；

建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型：基于蒙特卡罗方法对微结构中的电子运动进行轨迹追踪计算，统计从介质表面和微结构中返回到真空－介质交界面处的二次电子数目；

建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型，具体为：

1）在介质表面上方垂直注入一定数目固定能量的电子，其电子位置在微结构表面服从均匀分布；

2）计算粒子运动轨迹，并根据电子运动轨迹判断粒子是否返回到真空－介质交界面处，若返回，统计逃逸出的粒子数目，否则去判断粒子与微结构边界是否发生碰撞，若发生碰撞，根据粒子的碰撞能量、碰撞角度以及材料的二次电子发射系数曲线计算出射的二次电子数目；

3）将新产生的二次电子加入到总的电子数目中，然后再次计算电子运动轨迹，否则继续推进电子，直至微结构中的电子数目减少到零为止。

2.根据权利要求1所述的具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，其特征在于，当碰撞的三角形的材料为金属则根据二次电子发射Vaughan或Furman模型确定出射电子信息，当三角形的材料为介质，根据建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型进行边界处理。

3.根据权利要求2所述的具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，其特征在于，出射电子信息出射电子信息包括电子数目和速度。

4.根据权利要求1所述的具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，其特征在于，得的电磁场结果保存在“FD_Field.silo”文件中；关联信息保存在“Conformal.silo”文件中。

5.根据权利要求1所述的具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，其特征在于，采用3D建模软件建立具有微结构的介质材料加载微波部件物理模型；采用CST微波工作室的频域求解器计算微波部件内部的电磁场分布。

6.根据权利要求1所述的具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟方法，其特征在于，在进行微放电数值模拟之前，首先采用建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型分别计算不同射频电场幅值和相位下的二次电子发射系数曲线，然后将获得的模拟结果加入到微放电粒子模拟程序中，实现表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联。

7.具有微结构表面的介质材料微放电等效模拟系统，其特征在于，包括：

模型建立模块，用于建立具有微结构表面的介质材料加载微波部件物理模型；

初始文件获得模块，用于模拟具有微结构表面的介质材料加载微波部件内部的电磁场分布，获得的电磁场结果；将微波部件的几何边界与网格剖分所形成的六面体网格进行关联，获得关联信息；

二次电子发射模型建立模块，用于建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型；建立介质材料表面微观尺度和微波部件尺度的相互关联，包括将建立的具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型加入到微放电粒子模拟程序中；

初始化模块，用于电磁场结果和关联信息作为读入初始化文件对程序进行初始化；根据当前时刻粒子所在网格节点的时域电磁场插值求解粒子所在位置处的电磁场值，求解牛顿洛伦兹力方程，获得这一时间步长内的粒子运动轨迹，进而更新当前时刻粒子位置；

判断模块，用于判断粒子是否与微波部件边界发生碰撞，若发生碰撞则根据碰撞位置所在的三角形的材料属性进行二次电子发射处理，否则继续推进粒子，直至仿真时间结束；判断是否到达设定的仿真时间，若到达则仿真结束，否则继续进行微放电过程模拟；判断当前功率与微放电阈值的关系，若大于则降低输入功率并重复上述过程，否则增加输入功率，直至获得微放电阈值；

建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型：基于蒙特卡罗方法对微结构中的电子运动进行轨迹追踪计算，统计从介质表面和微结构中返回到真空－介质交界面处的二次电子数目；

建立具有微结构表面的介质材料二次电子发射模型，具体为：

1）在介质表面上方垂直注入一定数目固定能量的电子，其电子位置在微结构表面服从均匀分布；

2）计算粒子运动轨迹，并根据电子运动轨迹判断粒子是否返回到真空－介质交界面处，若返回，统计逃逸出的粒子数目，否则去判断粒子与微结构边界是否发生碰撞，若发生碰撞，根据粒子的碰撞能量、碰撞角度以及材料的二次电子发射系数曲线计算出射的二次电子数目；

3）将新产生的二次电子加入到总的电子数目中，然后再次计算电子运动轨迹，否则继续推进电子，直至微结构中的电子数目减少到零为止。