[發明專利]用于三維共形全電磁粒子模擬的輸出信號模式成份分解方法

在審

• 申請號: 202010426060.5
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN111625946A
• 公開（公告）日: 2020-09-04
• 發明（設計）人: 王玥;方愛平
• 申請（專利權）人: 西安魔朵電子科技有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T17/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 賀小停

1.用于三維共形全電磁粒子模擬的輸出信號模式成份分解方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，采用三維建模軟件建立需模擬計算的真空電子學器件模型；

步驟2，將三維模型在三維笛卡爾正交網格體系中進行離散剖分，并在離散網格體系中采用局部填充方法將模型進行共形重構；

步驟3，在輸出波導段設置用于模式分析的診斷參數，診斷參數包括：診斷的頻率點，診斷截面的位置以及診斷時間段的中心點，并由此確定記錄診斷數據的時間區間；

步驟4、由根據本征方程，計算得到診斷面上與不同模式相對應的特征向量，特征向量具有正交性；

步驟5，開啟共形全電磁粒子模擬主程序，模擬計算模型，在計算過程中記錄由步驟3所定義的空間點上和時間區間內的電場和磁場值，并作為診斷值；

步驟6，對記錄的信號進行濾波，對濾波后的信號進行正交分解；

步驟7，建立不同時間和不同位置的方程，構建線性方程組，得到單個模式信號前向波和后向波的幅值；

步驟8，重復步驟6和步驟7，基于同一組由步驟5記錄的數據，分解并分析其它模式。

2.根據權利要求1所述的用于三維共形全電磁粒子模擬的輸出信號模式成份分解方法，其特征在于，步驟3中，診斷位置和診斷時間采用下列的方式選取(z_i,t_i)，i＝1,2,3,4：

z₃＝z₁

t₂＝t₁

其中，ω_r為當前所診斷信號經過濾波后的主頻率，k_r＝2π/ω_r。

3.根據權利要求1所述的用于三維共形全電磁粒子模擬的輸出信號模式成份分解方法，其特征在于，步驟4中，本征方程由下式得出：

將以端口面上電場為變量的離散波動方程式轉換到頻域，得到如下的本征方程：

其中，

將以端口面上磁場為變量的離散波動方程：轉換到頻域，得到如下的本征方程：

其中，

4.根據權利要求3所述的用于三維共形全電磁粒子模擬的輸出信號模式成份分解方法，其特征在于，在離散網格體系中，離散的無源Maxwell方程組由下列式子所示：

5.根據權利要求3所述的用于三維共形全電磁粒子模擬的輸出信號模式成份分解方法，其特征在于，通過本征方程得到特征值為波導的截止角頻率，特征向量與模式分布對應，特征向量之間相互正交，即滿足：

利用上式給出的正交性，實現輸出信號中的模式分解。

6.根據權利要求1所述的用于三維共形全電磁粒子模擬的輸出信號模式成份分解方法，其特征在于，步驟6和步驟7中，具體為：

為實現輸出信號的模式分解，首先，給出輸出信號的一般表達形式；不失一般性，將輸出波導中坐標為z處的橫截面上的橫電/橫磁場分布可分解為不同模式的疊加，如下形式，

其中，q_j為診斷面上的與模式j相對應的場線積分矢量，由正交性，分解得到與某個模式對應的q_i，可表達為：

其中，k_j表示模式j的軸向波數，和為幾何元上場積分量的幅值形成的矢量；對于某個模式來說，橫截面上的場分布表達為橫截面上坐標的函數f(x,y)；那么，確定矢量和以及和的求解計算轉為求解具有最大幅值的幾何元上的和并假設與之對應的場值為q_j，由上式，q_j可表達為：

上式中，和均為未知的，為求解這4個未知數，需要在4個不同的(t,z)坐標點由上式構建方程組進行求解：

將步驟3中確定記錄診斷數據的時間區間，代入上面四個式子，定義下列中間變量，

由上述三個式子，4個不同的(t,z)坐標點構建方程組式變換為：

由上述式子，求解得到和進一步得到：

對于不同模式，由同一組診斷數據，改變中的k_j并帶入上面的式子完成不同模式的幅值的求解；對于k_j來說，通過本征方程，求解得到了不同模式的截止頻率，也就能得到與截止頻率對應的橫向波數，得到所診斷頻率所對應的軸向波數k_j。