[发明专利]一种圆柱坐标系下电流电荷分配方法及系统

说明书

本发明公开了一种圆柱坐标系下电流电荷分配方法及系统，推导并实现三维圆柱坐标系下CIC电荷权重分配方法，包括非轴上网格电荷分配和轴上网格电荷分配；推导并实现三维圆柱坐标系下电荷守恒的电流分配方法，包括非轴上网格电流分配和轴上网格电流分配；在处理轴上网格时，以半径向步长为临界线，将电流进行分段分配。解决三维柱坐标系下电流分配问题，具有电流连续性的优点。

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种圆柱坐标系下电流电荷分配方法及系统。

背景技术

全电磁粒子模拟(Particle in Cell，PIC)是模拟具有非线性和强耦合性的真空电子器件的重要方法之一，由于其对基本物理过程忽略较少，又被称为第一性原理方法。

PIC方法中一个关键环节是带电粒子与电磁场的耦合，其中包含电荷分配和电流分配。电荷分配主要有线性分配方法和体积加权分配方法，两者在直角坐标系下是等价的。在柱坐标系下，由于网格是非均匀的，这导致线性分配方法和体积加权法不等价，且线性分配方法越靠近轴误差越大，体积加权法考虑到网格形状因素，因此与线性分配相比误差也更小。常用的电流分配方法有两种，一种是线性插值，另一种是电荷守恒方法，其中线性插值方法会造成电荷不守恒，而电荷守恒方法则不会。

目前国内三维柱坐标系下全电磁粒子模拟软件如UNIPIC和CHIPIC在电荷分配上都采用线性分配方法，在三维柱坐标系中这种分配方法的误差在越靠近轴时越大。电流分配方法采用线性插值方法，不满足电流连续性条件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种圆柱坐标系下电流电荷分配方法及系统，通过适当调整角向分割个数，从而减少空间网格剖分个数，能够合理发挥器件的轴对称性，并大大降低计算量。

本发明采用以下技术方案：

一种圆柱坐标系下电流电荷分配方法，包括以下步骤：

S1、获得粒子的位置信息如果粒子不在轴上网格内，根据非轴上电荷分配计算出权重因子α，β，γ，根据非轴上电荷分配公式将带电粒子的电量分配到网格节点上；

如果粒子在轴上网格内，当r≤Δr/2时，根据轴上电荷分配计算出权重因子α，β，γ；当rΔr/2时，根据非轴上电荷分配计算出权重因子α，β，γ，根据轴上电荷分配公式将带电粒子的电量分配到网格节点上；

S2、判断粒子运动是否在轴上网格内，如果运动不在轴上网格内，分别计算出粒子起始位置和末位置的权重因子α₁，β₁，γ₁，α₂，β₂，γ₂，计算Δα，Δβ，Δγ，进行非轴上网格电流分配；

如果运动在轴上网格内，判断粒子运动是否穿过r=Δr/2临界线，如果穿过就将位移从临界线处分为两段，即第一段和第二段计算第一段的权重因子α₁，β₁，γ₁，α₂，β₂，γ₂及对应的Δα，Δβ，Δγ，进行轴上网格电流分配，计算出第二段的权重因子α₃，β₃，γ₃，α₄，β₄，γ₄及对应的Δα，Δβ，Δγ，进行轴上网格电流分配；

如果没穿过r＝Δr/2临界线，分别计算出粒子起始位置和末位置的权重因子α₁，β₁，γ₁，α₂，β₂，γ₂及对应的Δα，Δβ，Δγ，进行轴上网格电流分配。

具体的，步骤S1中，非轴上网格电荷分配具体为：