[發明專利]一種預測微放電閾值的共形邊界電磁場插值方法

有效

• 申請號: 201910074840.5
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109948179B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 翟永貴;李永東;王洪廣;林舒;張磊;李韻;崔萬照
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F113/16
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種預測微放電閾值的共形邊界電磁場插值方法。采用的技術方案為：首先對微波部件幾何結構進行離散剖分以構成相應的Yee網格，然后從3D建模軟件/電磁模擬軟件中導出三角面片邊界信息，從電磁模擬軟件中輸出頻域電磁場，根據電場分量存儲位置分別構建3套獨立的電場六面體網格，根據磁場分量存儲位置分別構建3套獨立的磁場六面體網格，根據三角面片邊界信息對Yee網格進行標識，結合共形網格標識將導出的頻域電磁場通過線性外推算法分別計算介質/金屬內部區域以及共形邊界網格中場網格節點上的電磁場值，并采用電磁場線性內插算法計算粒子所在位置處電磁場，進而獲得粒子運動軌跡的精確計算，實現復雜微波部件微放電閾值快速準確預測。

技術領域

本發明屬于空間微波部件可靠性研究技術領域，特別涉及一種預測微放電閾值的共形邊界電磁場插值方法。

背景技術

目前PIC模擬軟件大多采用正交規則網格進行空間剖分，對于復雜形狀邊界采用階梯網格來近似。對于器件中常見的球面或弧形電極、正弦慢波結構、圓錐形傳輸線等不能精確地剖分，考慮到這些部件一般包含真空、金屬、介質多種材料，形狀也比較復雜，在模擬中需采用共形邊界技術準確描述彎曲表面。

在PIC模擬方法中，電磁場推進所使用的電場和磁場參量離散分布在網格節點和網格線上，而粒子在空間中連續運動，某些時候并不一定恰好位于網格節點上，有可能在空間任意位置，因此在求解粒子運動軌跡時，需要通過插值方法來計算粒子所在位置處的電磁場。到目前為止，有多種不同精度的電磁場插值方法，如零階精度的NGP(Nerest GridPoint)方法、一階精度的雙線性插值法和面積加權法及高階精度的Lagrange插值法和樣條函數法等，其中最常用的是一階精度的分配方法，但這些方法局限于粒子位置所在的網格節點為真空區域，若共形網格為真空-金屬邊界，金屬導體內的電場為零，若共形網格為真空-介質邊界，介質表面積累電荷在真空與介質兩側區域產生的靜電場方向相反，而介質內的微波電磁場與器件結構、介質層厚度以及介電常數等影響，如果采用傳統的線性內插方式計算電子所受的力，電子受力將受到金屬或介質內網格節點電場的影響，進而導致電子運動軌跡不準確，從而影響電子的碰撞動能。

實際上，在粒子推進過程中需要采用真空區域電場，由于介質-真空分界面切向電場連續，因此介質表面網格的節點切向電場插值算法與真空區域相同，通過相鄰網格節點上的電場進行線性內插得到；考慮到分界面處法向電場不連續，為了正確計算粒子在真空中所受的力，金屬/介質網格節點的法向電場采用介質外(法向法向為真空區域)兩個節點電場線性外推。

發明內容

本發明的目的在于提供一種預測微放電閾值的共形邊界電磁場插值方法，以解決上述問題。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種預測微放電閾值的共形邊界電磁場插值方法，包括以下步驟：

步驟1，采用三維建模軟件/電磁模擬軟件建立待求微波部件模型，然后通過電磁模擬軟件求解微波部件中的電磁場分布；

步驟2，將3D微波部件幾何結構進行離散剖分以構成電磁場計算的交錯對偶網格體系，即Yee網格，該網格單元形狀為六面體；

步驟3，從3D建模軟件/電磁模擬軟件中導出的三角面片邊界信息采用STL文件格式進行存儲，從電磁模擬軟件中輸出的電場分量放置在Yee網格單元各棱的中間，平行于各棱；磁場分量放置在Yee網格單元各面的中心，平行于各面的法線；同時，根據電場分量存儲位置分別構建3套獨立的電場六面體網格E_xGrid、E_yGrid、E_zGrid，根據磁場分量存儲位置分別構建3套獨立的磁場六面體網格B_xGrid、B_yGrid、B_zGrid；

步驟4，根據三角面片邊界信息對Yee網格單元Grid[x][y][z]進行標識以確定共形網格單元網格坐標值；