[發明專利]基于時域譜元法的微波無源電路電磁熱一體化分析方法

有效

• 申請號: 201310718765.4
• 申請日: 2013-12-23
• 公開（公告）號: CN104050307B
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發明（設計）人: 陳如山;丁大志;樊振宏;盛亦軍;陳桂蓮
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

本發明公開了一種基于譜元法的微波無源電路電磁熱一體化分析方法該方法首先采用時域譜元法求解麥克斯韋方程組，求出電路在高功率脈沖作用下瞬時的電場和磁場分布，得出當前時刻的電磁損耗。假設模型內部電磁損耗全部轉化為熱能，將所得熱能帶入熱傳導方程，得到當前時刻各點的溫度分布情況。利用介電參數隨溫度變化的關系式得到下一時刻材料的電特性參數并再次計算電磁場方程，得出電磁損耗。如此反復循環，直到完成預定加熱時間。電磁熱一體化分析可以清楚的得到濾波器在不同脈沖的作用下，模型內部溫度隨時間變化的分布情況，建模靈活，剖分方便，形成的矩陣具有良好的稀疏性，求解效率較高。

技術領域

本發明屬于微波無源器件的電磁熱一體化分析，特別是針對SIW濾波器設計的數值分析方法。

背景技術

上世紀70年代以來，由于計算機技術的飛速發展，計算電磁學獲得了迅猛發展。相對于解析方法，數值方法能夠解決很大一類計算巨大，結構復雜而解析方法難以或無法得到精確結果的問題。針對于微波無源電路，如濾波器、微帶線的熱效應作用過程，可以單獨考慮為電磁求解過程和熱模型求解過程。即分別對應于麥克斯韋電場波動方程和熱傳導方程的求解。研究微波熱模型就是選擇合適的數值分析方法求解分析這兩大過程。對于電磁模型數值求解，目前主流方法按時頻域分為時域方法(如時域有限差分法)和頻域方法(如有限元，矩量法等)等。在應用上述方法分析微波熱模型中的電磁問題時，有限元，矩量法，時域有限差分法(FDTD)等當前熱門數值算法都可以使用，但考慮到微波熱模型中電參數為時變函數和熱模型時間延續性的特點，采用時域方法更為合適。一般FDTD，FEM等方法更為普遍。然而由于FDTD的Yee網格特性決定了其無法模擬結構復雜的模型。FEM應用到時域時每個時間步都涉及到對線性方程組的求解，計算量非常龐大，很浪費時間。

發明內容

本發明的目的在于提供一種微波無源電路的電磁熱一體化分析，同時考慮介質損耗和導體損耗（忽略輻射損耗）從而實現快速得到器件內部溫度分布的方法。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種微波無源器件電熱一體化分析方法，步驟表述如下：

第一步，建立求解模型及網格剖分。并采用曲六面體對模型進行整體剖分，得到模型的結構信息，包括每個曲六面體單元的結點編號和坐標等。剖分網格的尺寸大于滿足精度所需的剖分尺寸。

第二步，從麥克斯韋方程方程組出發，對等式采用伽遼金法測試，強加邊界條件，得到電場波動方程，進而求解得到各節點t_n時刻的電場及電流分布。

第三步，由以上步驟得到的電場及電流分布得出各點的導體損耗及介質損耗（忽略輻射損耗）。在求解介質損耗時用等效電導率σ'代替σ，即σ'＝σ+2πfε″。其中，ε″為復介電常數的虛部，f為工作頻率。然后通過公式計算得到單位體積內介質損耗所轉化的熱能。求解導體損耗的時候，首先通過麥克斯韋方程由磁場分布計算得到電流密度分布。由于良導體中電流分布主要集中在導體表面。假設微波電路所敷金屬貼片厚度即為電磁波進入金屬的趨膚深度，計算得到表面電阻。由得到導體損耗。

第四步，建立微波無源電路的熱傳導方程，將電磁損耗作為熱源項代入該方程中，求解得到各節點溫度分布；

第五步，判斷t_n時刻是否為預定加熱時刻，若是預定加熱時間則停止計算，若不是是預定加熱時間則更新電場波動方程中的介電常數和電導率，計算t_n+1的電場分布及電流密度分布。重復步驟二、三、四，五步，如此反復循環，直到完成預定加熱時間；