Three-dimensional simulation method of multipactor in microwave components for high-power space application

Based on the particle-in-cell technology and the secondary electron emission theory, a three-dimensional simulation method for multipactor is presented in this paper. By combining the finite difference time domain method and the panicle tracing method, such an algorithm is self-consistent and accurate since the interaction between electromagnetic fields and particles is properly modeled. In the time domain aspect, the generation of multipactor can be easily visualized, which makes it possible to gain a deeper insight into the physical mechanism of this effect. In addition to the classic secondary electron emission model, the measured practical secondary electron yield is used, which increases the accuracy of the algorithm. In order to validate the method, the impedance transformer and ridge waveguide filter are studied. By analyzing the evolution of the secondaries obtained by our method, multipactor thresholds of these components are estimated, which show good agreement with the experimental results. Furthermore, the most sensitive positions where multipactor occurs are determined from the phase focusing phenomenon, which is very meaningful for multipactor analysis and design.     

半导体断路开关输出脉冲宽度的参数影响规律

采用Silvaco TCAD软件,对P+-P-N-N+SOS结构输出脉冲宽度的参数影响规律进行了一维数值模拟研究,包括N+区扩散深度、有效横截面积、外电路参数等。模拟结果表明:随着N+区扩散深度、有效横截面积的增加和外电路电阻的增大,输出脉冲的宽度减小。通过参数优化,获得了脉宽约为4 ns的输出脉冲。     

GaAs PIN二极管电热特性

通过T-CAD软件建立了PIN二极管的电学模型和热学模型,模拟了PIN二极管的稳态与瞬态特性。研究了PIN二极管器件在正反偏压和脉冲电压下的电学特性及热学特性,讨论了PIN二极管的I层厚度与温度的关系,模拟得到了不同I层厚度的稳态与瞬态响应曲线、得到了与器件内部温度的关系。模拟结果表明:随着I层厚度的增加,器件内部最高温度增长减慢,器件内部最高温度区由结区位置向器件的中间位置移动。     

收集极释气对相对论返波管影响的粒子模拟

相对论返波管被认为是最具有应用潜力的高功率微波器件之一.随着输出微波功率的进一步提高,相对论返波管内部包括收集极处的击穿现象越来越严重,最终导致脉冲缩短,成为器件向高功率、高能量方向发展中的最大障碍,也是目前制约其发展的重要问题之一.本文基于自主研发的2.5维粒子模拟软件UNIPIC-2D,采用动态释气模型研究了不同释气系数下相对论返波管收集极释气与电离过程及引导磁场的影响.粒子模拟结果表明,随着电子不断轰击收集极,收集极表面气压升高,并发生气体电离,产生的等离子体沿引导磁场进入慢波结构区域,影响束-波相互作用过程,使得输出功率下降;随着释气系数的增大,脉冲缩短现象越来越明显;在低引导磁场情况下,击穿以及脉冲缩短现象得到一定的缓解.     

介质部分填充平行平板传输线微放电过程分析

本文主要研究了介质填充微波部件微放电随时间演变的过程,重点分析了介质微波部件微放电自熄灭机理.以介质部分填充平行平板传输线为研究对象,忽略空间电荷效应,采用自主研发粒子模拟软件模拟微放电过程,并将模拟结果与金属微波部件结果进行对比.结果表明,在一定功率下,金属微放电过程中电子数目呈指数形式增长,而介质微放电过程经历初始电子倍增后发生自熄灭现象,同时发现在电子数目即将下降为0时,介质表面的平均二次电子发射系数大于1或约等于1.另外,在上述模拟结果的基础上对微放电过程中介质表面积累电荷问题进一步分析,模拟结果表明,如果持续向微波部件内注入电子,介质表面的平均二次电子发射系数最终都约等于1.所得结论对研究复杂介质填充微波部件微放电的机理具有一定的理论指导价值.     

基于粒子模拟的磁绝缘传输线等效电容和等效电感的计算

提出了一种基于粒子模拟的磁绝缘传输线等效电容和等效电感计算方法,在层流模型得到的同轴磁绝缘传输线等效电感和等效电容理论公式中引入修正因子,对粒子模拟所得结果进行数值拟合,获得了等效电容和等效电感修正因子依赖于电压的拟合表达式,修正后的等效电容和等效电感理论公式与粒子模拟结果符合较好,所得结果可用于磁绝缘传输线的等效电路建模。     

一种补偿时间步长限制的粒子模拟-蒙特卡罗碰撞模型

 从碰撞次数的概率分布出发,推导出一种补偿蒙特卡罗碰撞模型,采用以正态分布计算得到的平均碰撞次数作为碰撞概率,来补偿传统方法中忽略的多次碰撞。通过模拟不同折合电场强度条件下He气放电产生电子的运动规律,验证了补偿蒙特卡罗碰撞模型的正确性。计算结果表明:补偿蒙特卡罗碰撞模型可以有效地提高计算效率,特别适用于高气压气体放电现象的粒子模拟。     

高功率微波器件2.5维通用粒子模拟软件——尤普

 利用体积加权宏粒子模型,考虑了阴极形状的爆炸电子发射模型、散度校正完全匹配层边界等新型和改进型电磁粒子模拟算法模型,提高了粒子模拟算法的计算精度,并有效降低数值噪声。在此基础上开发出2.5维全电磁通用粒子模拟软件——尤普,可在x-y,z-r和r-φ3种坐标系下应用于高功率微波器件的2.5维数值模拟研究和结构设计。对相对论磁控管、磁绝缘线振荡器和虚阴极振荡器等高功率微波器件的模拟结果表明：尤普软件得到了正确的物理图像和物理规律。     

半导体断路开关电路-流体耦合数值模拟

为了研究掺杂结构为p+-p-n-n+的半导体断路开关的ns脉冲截断机理,根据流体力学方程和全电流方程推导出半导体断路开关内部载流子运动满足的电流-电压关系表达式,提出了一种外电路方程和载流子流体力学方程联立求解的1维耦合数值模型。采用该模型对半导体断路开关的ns脉冲截断过程进行了数值模拟,模拟结果表明:在截断过程中,n-n+结处的载流子数密度首先开始明显降低,并出现高电场,随后p+-p结处也出现类似现象,随着载流子的抽取,高电场区域向p-n结处快速移动,最终在p-n结处完成截断,而基区载流子数密度在截断前后无明显变化。