[发明专利]波导器件微波气体放电数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于涉及多物理场的电磁特性仿真技术，特别是一种分析波导结构微波器件气体放电击穿的新型数值仿真方法。

背景技术

随着空间技术的日新月异，电子设备的电路集成度越来越高，微波器件的工作频率不断提高；同时伴随高功率脉冲发生器技术的不断成熟，其输出功率可达到几十Gw的数量级。对不同气体填充的空间波导结构的微波器件微波击穿与气体放电现象的数值分析与计算机模拟日趋受到科研机构的重视，是当前的空间技术与高功率脉冲领域热点难题之一。对该问题的研究有助于微波器件的设计与防护，具有较高的应用价值与现实意义。目前采用数值方法仿真分析该类问题具有成本最小化、设计最优化、周期缩短化等优点，日趋成为产前设计与预测模拟的重要手段。在采用数值方法仿真分析这一类涉及多物理场、复杂的非线性问题时，如何高效地进行快速全波分析和关键设计阈值的准确求取至关重要。相较于实验手段周期长，成本高，采用数值方法预测面临着求解对象结构复杂，高度非线性，解决计算时间较长，计算精度不高问题等难点。

目前对微波击穿与气体放电分析手段主要是采用微分方程类方法中的时域有限差分法，如文献1.Yee,Jick H.,et al，″Propagation of intense microwave pulses in air and in a waveguide，″IEEE Transactions on Antennas and Propagation,39.9(1991)，pp:1421-1427.和有限体积分法,如文献2.Adnane Hamiaz,et al，“Finite Volume Time Domain modelling of microwave breakdown and plasma formation in a metallic aperture，”Computer Physics Communications 183(2012),pp:1634–1640.上述已发表文献均用于分析简单结构的二维气体放电问题，虽然可以给出简单问题的电场与电子密度的数值分布与预测，但是有模型简单，精确度不高，计算时间较长等缺点。时域谱元法采用六面体单元离散网格，可以很好地逼近待求解目标的外形结构，所生成的质量矩阵为对角阵，求逆过程简单，计算时间较短，在分析微波击穿气体放电这一类多物理场、非线性问题方面具有较大的优势。目前尚未有采用时域谱元法进行波导结构气体放电现象仿真的文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时域谱元法的对波导结构的复杂微波器件中气体击穿现象进行仿真的数值方法，该方法考虑了波导器件内气态介质与强电磁脉冲的相互作用，主要包括雪崩电离、电子分子碰撞、电子离子复合效应，电子分子附着效应，能够模拟简化波导器件中的放电物理过程，同时，大大缩短研制周期，降低研发成本，利用本发明可适用于各类波导器件中的击穿现象的阈值分析与仿真模拟。

实现本发明目的的技术方案为：

第一步，利用Ansys软件建立待分析器件的几何剖分模型，根据复杂波导结构的几何尺寸，用计算机辅助设计工具进行建模，采用基于GLL基函数的六面体单元对目标模型进行剖分，得到目标的几何信息并且设置激励源的位置信息以及施加激励源；

第二步，通过给定的大气压强，给出数值模拟的初始状态，设定波导器件内电子密度的初始值；

第三步，根据第一步中得到的待分析器件的几何信息以及第二步中设定的初始状态，采用时域谱元法建立描述非线性气体放电现象的微分方程组，即将选定的GLL基函数对未知的电场、磁场、电子密度、电子速度及平均电子能量五个未知变量近似展开，然后分别代入由麦克斯韦方程组与电子流体力学方程组构成的偏微分方程组，最后选择GLL基函数作为加权函数，通过伽辽金测试，使在加权平均意义下各微分方程的余量为零，由此将连续的微分方程组转换为矩阵方程组，得到空间内各GLL点的未知量信息；

第四步，根据第三步所得的矩阵方程组，采用中心差分方法，依次计算每一时刻，空间内各节点的磁场强度、电子速度、电场强度、电子密度、平均电子能量，得到不同位置处上述变量随时间变化的规律；

第五步，根据第四步得到的平均电子能量，更新电离参数，重复步骤三至步骤四，直至达到预设的计算时间为止；

第六步，输出每一个时刻计算得到的电磁场值与电子密度，得到波导器件中电磁场与电子密度随时间变化的规律，由此可计算出各种电磁特性参数，完成对波导器件微波气体放电现象的分析过程。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：