[發(fā)明專利]一種三維時(shí)域計(jì)算波導(dǎo)S參數(shù)的電磁數(shù)值方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910634134.1
• 申請日: 2019-07-15
• 公開（公告）號: CN110502785B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐立;李星;楊中海;李斌
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 閆樹平

本發(fā)明屬于三維時(shí)域電磁學(xué)數(shù)值求解技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種三維時(shí)域計(jì)算波導(dǎo)S參數(shù)的電磁數(shù)值方法。本發(fā)明基于已有的時(shí)域間斷雜交伽遼金方法，針對波導(dǎo)傳輸問題，采用一種總場散射場格式添加激勵源計(jì)算S參數(shù)；首先，采用PML層來作為截?cái)噙吔纾皇茿BC邊界；其次，采用TFSF格式來離散時(shí)域間斷雜交伽遼金，需注意，此時(shí)的入射源并未在邊界處，而是設(shè)置在TFSF交界公共面，因此，導(dǎo)致傳統(tǒng)的時(shí)域間斷雜交伽遼金方法中的雜交量、局部線性方程會發(fā)生變化。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出的時(shí)域間斷雜交伽遼金方法具有更大的性能優(yōu)勢，減少全局未知量的個(gè)數(shù)和增大時(shí)間步長，進(jìn)而獲得更少的計(jì)算時(shí)間。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于三維時(shí)域電磁學(xué)數(shù)值求解技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種時(shí)域雜交間斷伽遼金數(shù)值方法，針對波導(dǎo)傳輸問題，采用一種總場散射場格式添加激勵源計(jì)算S參數(shù)。

背景技術(shù)

微波器件目前在人們的日常生活和各個(gè)科研領(lǐng)域中占據(jù)著不可替代的作用，例如在衛(wèi)星通信、雷達(dá)探測和武器制造等都有著不同類型的微波器件。在對這些器件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)時(shí)，為了評估該器件的物理特性和應(yīng)用價(jià)值，通常需要求解某些系統(tǒng)參數(shù)。而在所求解的這些系統(tǒng)參數(shù)中，我們通常對S參數(shù)特別感興趣。S參數(shù)是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。要準(zhǔn)確獲得微波器件的電磁響應(yīng)特性，求出描述其傳輸性能的S參數(shù)，是衡量當(dāng)下數(shù)值計(jì)算方法的一個(gè)準(zhǔn)則。

而矩形波導(dǎo)作為一種傳輸電磁波的微波器件，其應(yīng)用十分廣泛。在分析波導(dǎo)傳輸問題時(shí)需要在一定的求解域中進(jìn)行麥克斯韋方程組的求解。因?yàn)閷?shí)際的仿真空間很大，所以在實(shí)際應(yīng)用中必須要用有限的空間去模擬。因此，對于波導(dǎo)傳輸問題，如何處理邊界截?cái)鄦栴}來達(dá)到更好的吸收電磁波的效果是研究S參數(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容。盡管ABC吸收邊界原理簡單，易于應(yīng)用，但整體吸收效果較差。雖然PML邊界是在計(jì)算區(qū)域截?cái)噙吔缣幵O(shè)置幾層特殊介質(zhì)層，使得透射波迅速衰減，能達(dá)到較好的介質(zhì)吸波能力，但介質(zhì)層增大了整體求解區(qū)域，這對數(shù)值方法的計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存也是一個(gè)挑戰(zhàn)。此外，對于波導(dǎo)問題，大多采用高斯脈沖波作為入射波，然而脈沖激勵源是以計(jì)算區(qū)域中的場消失為迭代終止的標(biāo)志，場消失越慢，就意味著計(jì)算時(shí)間越長，這對時(shí)域電磁數(shù)值計(jì)算是很不利的。

現(xiàn)有時(shí)域計(jì)算電磁學(xué)數(shù)值方法主要包括時(shí)域有限差分法和時(shí)域間斷伽遼金法等。但這些方法在實(shí)際應(yīng)用中又有著各自的缺點(diǎn)，比如時(shí)域有限差分法并不適合計(jì)算幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，精度較低；時(shí)域間斷伽遼金法在每個(gè)單元內(nèi)需要維持自己的基函數(shù)，因此單元交界面上的未知量是重復(fù)的，導(dǎo)致在獲得相同精度時(shí)，所需的未知量明顯多于經(jīng)典有限元方法?？梢娺@些缺點(diǎn)導(dǎo)致利用現(xiàn)有的時(shí)域技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的優(yōu)化仿真，已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)者的要求，因此需要構(gòu)造穩(wěn)定可靠的數(shù)值方法來獲得高精度電磁問題的電磁響應(yīng)特性。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述存在問題或不足，為解決現(xiàn)有時(shí)域計(jì)算電磁學(xué)數(shù)值方法無法獲得復(fù)雜模型的高精度電磁響應(yīng)特性的問題，本發(fā)明提供了一種三維時(shí)域計(jì)算波導(dǎo)S參數(shù)的電磁數(shù)值方法。將時(shí)域雜交間斷伽遼金數(shù)值方法應(yīng)用在波導(dǎo)傳輸問題，相比傳統(tǒng)的ABC吸收邊界，本發(fā)明在時(shí)域雜交間斷伽遼金法中推導(dǎo)了一種PML邊界格式，使其具有更好的吸收效果，并采用一種總場散射場格式添加激勵源來計(jì)算S參數(shù)。通過無條件穩(wěn)定的隱式時(shí)間迭代,以擴(kuò)大時(shí)間步長，節(jié)省仿真時(shí)間，且具有較少的全局未知量以及顯著的計(jì)算性能。

一種三維時(shí)域計(jì)算波導(dǎo)S參數(shù)的電磁數(shù)值方法，包括以下步驟：

步驟A、根據(jù)目標(biāo)電子器件的物理結(jié)構(gòu)，結(jié)合工作環(huán)境與邊界條件對其仿真建模；

步驟B、采用四面體單元剖分三維求解區(qū)域，面離散和體積離散必須相容；

步驟C、給出時(shí)域雜交間斷伽遼金方法，在吸收邊界處加源的通用雜交量與數(shù)值通量、守恒條件和半離散格式；

步驟D、參照圖2，推導(dǎo)基于總場散射場格式的時(shí)域雜交間斷伽遼金方法中的局部線性系統(tǒng)與守恒條件；

在總場散射場格式中，總場E_tot被拆分為入射場E_inc和散射場E_sca