CN103412984B - 一种规则波导端口微波部件电磁仿真的功率馈电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种规则波导端口微波部件电磁仿真的功率馈电方法，根据输入端口截面的形状建立以该输入端口为横截面的无限长波导，确定在所述无限长波导中传输的主模式场；根据激励信号确定所述主模式场平均传输功率，根据所述平均传输功率和输入功率确定所述主模式场的初始电场值功率系数，根据所述主模式场的初始电场值功率系数确定主模式场分布下的初始电场值；设置连接边界区域并将其分解成多个网格单元，在沿主模式场的电场线方向的每个网格单元的棱边中点上加入该点对应的主模式场的初始电场值，实现功率馈电。

Description

一种规则波导端口微波部件电磁仿真的功率馈电方法

技术领域

本发明涉及电磁仿真技术应用领域，尤其涉及一种规则波导端口微波部件电磁仿真的功率馈电方法。

背景技术

对于微波部件而言，馈入输入信号是进行微波部件产品设计与电磁仿真的关键性步骤。而规则波导是微波部件最为常见的输入输出端口形式之一。实际工程中测试信号常以功率作为单位，当结合电磁仿真方法与粒子模拟方法进行大功率微波部件等离子体仿真时，无法直接获得输入功率对应下的输出结果，会导致数值仿真结果无法直接进行实验验证。显然，为使电磁仿真方法更好地与其他仿真方法进行结合，满足更广泛的工程要求，尤其是大功率条件下的仿真要求，必须研究一种能够针对规则波导端口微波部件在其电磁仿真中实现功率馈电的方法，提供与工程相符的激励形式。现有技术对规则波导端口微波部件电磁仿真的输入信号馈入方法进行研究时，均通过假定规则波导端口输入截面的初始电磁场分布已知进行，都未涉及如何进行功率馈电的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种规则波导端口微波部件电磁仿真的功率馈电方法，该方法能够在规则波导端口微波部件电磁仿真中进行功率馈电，实现功率信号的加载，该方法易于实现，与其他仿真方法，例如粒子模拟方法兼容性高，具有广阔的应用前景。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种规则波导端口微波部件电磁仿真的功率馈电方法，包括如下步骤：

a.建立规则波导端口微波部件的三维几何模型，并根据三维几何模型提取激励信号输入端口截面的形状参数；

b.确定规则波导端口微波部件的工作频率、激励信号和输入功率；

c.根据所述输入端口截面的形状建立以该输入端口为横截面的无限长波导，根据麦克斯韦方程组与所述无限长波导的边界条件确定所述无限长波导中波导横截面的各模式场分布和对应的截止频率；

d.根据所述各模式场分布和对应的截止频率，以及规则波导端口微波部件的工作频率确定在所述无限长波导中传输的主模式场；根据激励信号确定所述主模式场平均传输功率，根据所述平均传输功率和输入功率确定所述主模式场的初始电场值功率系数，根据所述主模式场的初始电场值功率系数确定主模式场分布下的初始电场值；

e.在所述无限长波导中与输入端口截面一定距离处设置连接边界区域，所述连接边界区域的尺寸和外形与所述输入端口截面的形状相同；将所述连接边界区域分解成多个网格单元，在沿主模式场的电场线方向的每个网格单元的棱边中点上加入该点对应的主模式场的初始电场值，从而在连接边界区域激励起主模式场。

所述步骤c中，所述无限长波导中波导横截面的各模式场分布通过分离变量法解析求解得到。

所述步骤d中，

当激励信号为时谐信号时，根据坡印亭定理得到所述主模式场平均传输功率。

所述步骤d中，

当激励信号为非时谐信号时，对非时谐信号进行傅立叶变换得到其谱域表达式，结合坡印亭定理得到所述主模式场平均传输功率。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明提出了一种基于电磁仿真进行微波部件功率馈电的方法，使得时域电磁算法能够应用于需要以功率作为输入单位的应用场合，实现与多种算法的无缝连接，例如粒子模拟算法或自主研发的其他算法。本方法拓展了时域电磁算法的应用领域，为多种实际应用问题的解决提供了有效途径，例如需要改变输入信号功率的微放电电磁粒子仿真平台的开发，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1矩形波导端口激励源的引入示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细的描述：

实施例一

本实施例，以输入信号为时谐信号时的矩形波导端口微波部件功率馈电为例，对本发明的规则波导端口微波部件电磁仿真的功率馈电方法进行说明，具体实施过程如下：

a.利用CAD软件建立待仿真的微波部件的三维几何模型，并根据三维几何模型提取激励信号输入端口截面1的形状参数，长度a为22.86mm，宽度b为10.16mm，如图1所示。

b.确定待仿真微波部件的工作频点f₀为10GHz、激励信号为正弦波信号、输入功率为P₀。

c.如图1所示，根据输入端口截面1的形状建立以该输入端口为横截面的无限长波导2，建立以沿输入端口截面1的长边为x方向，宽边为y方向，沿无限长波导2的方向为z方向，以输入端口截面1的顶点为原点的直角坐标系，根据麦克斯韦方程组与所述无限长波导的边界条件，采取分离变量法获取无限长波导2中波导横截面的模式场分布：

$E_t(x,y)=E_x(x,y)\stackrel{\→}{x}+E_y(x,y)\stackrel{\→}{y},---\left(1.1\right)$

其中： $E_x(x,y)=\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{A}_0{A}_{\mathrm{mn}}\left(f\right)\cos \left(\frac{\mathrm{m\π}}{a}x\right)\sin \left(\frac{\mathrm{n\π}}{b}y\right)=A_0\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{\tilde{E}}_x(m,n,x,y),---\left(1.2\right)$

$E_y(x,y)=\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{A}_0{B}_{\mathrm{mn}}\left(f\right)\sin \left(\frac{\mathrm{m\π}}{a}x\right)\cos \left(\frac{\mathrm{n\π}}{b}y\right)=A_0\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{\tilde{E}}_y(m,n,x,y)---\left(1.3\right)$

为横向单位矢量，A₀为以输入功率P₀进行功率馈电时对应的初始电场值功率系数，A_mn(f)、B_mn(f)为mn模式场幅度，是模式和频率的函数，m和n为0到无穷大的整数，进而有：

$E_t(x,y)=A_0{\tilde{E}}_t(x,y)=A_0[\stackrel{\→}{x}\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{\tilde{E}}_x(m,n,x,y)+\stackrel{\→}{y}\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{\tilde{E}}_y(m,n,x,y)]---\left(1.4\right)$

确定mn模式场对应的截止频率为

$f_{\mathrm{mn}}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{m\π}}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{n\π}}{b}\right)}^2}}{2\mathrm{\π}}v---\left(1.5\right)$

其中：v为无限长波导2中的光速。

d.确定主模式场的初始电场值

根据步骤c所确定的模式场分布和规则波导端口微波部件的工作频率确定在所述无限长波导中传输的主模式场。根据待仿真规则波导端口微波部件的工作频点高于模式场的截止频率的要求，确定出满足上述要求的的m，n（本实施例中m=1，n=0）；由此可见在所述无限长波导2中传输的主模式场为TE₁₀模式场。

假设初始电场值功率系数A₀为1时，根据激励信号利用坡印亭定理得到所述无限长波导2中TE₁₀模式场平均传输功率为

$\stackrel{\‾}{P}\left(f_0\right)=\frac{1}{2\left|Z_c\left(f_0\right)\right|}\underset{s}{\∫\∫}{\left|{\tilde{E}}_t(x,y)\right|}^2\mathrm{ds},---\left(1.6\right)$

其中Z_c(f₀)为频率为工作频点f₀时TE₁₀模式下矩形波导的波阻抗，s的积分范围为输入端口截面1对应区域。

根据输入功率P₀与平均传输功率确定以输入功率P₀进行功率馈电时对应的初始电场值功率系数结合步骤c所述mn模式场分布公式（1.1）～（1.4）得到每一个坐标点(x,y)处的TE₁₀模式场的初始电场值E_t(x,y)。

e.如图1所示，在所述无限长波导中与输入端口截面1一定距离d处（本实施例中为其中λ₀＝v/f₀）设置连接边界区域3，所述连接边界区域3的尺寸和外形与所述输入端口截面1的形状相同，将所述连接边界区域3分解成许多小网格单元，在沿主模式电场线方向的每个小网格单元棱边中点(x₁,y₁)上加入该点对应的TE₁₀模式场的初始电场值E_t(x₁,y₁)，从而在连接边界区域激励起TE₁₀模式场。

实施例二

本实施例，以输入信号为非时谐高斯信号的矩形波导端口微波部件功率馈电为例，对本发明的规则波导端口微波部件电磁仿真的功率馈电方法进行说明，具体实施过程如下：

a.利用CAD软件建立待仿真的微波部件的三维几何模型，并根据三维几何模型提取激励信号输入端口截面1的形状参数，长度a为22.86mm，宽度b为10.16mm，如图1所示。

b.确定待仿真微波部件的工作频段为10GHz至12GHz、激励信号为非时谐高斯信号h(t)、输入功率为P₀。

c.如图1所示，根据输入端口截面1的形状建立以该输入端口为横截面的无限长波导2，建立以沿输入端口截面1的长边为x方向，宽边为y方向，沿无限长波导2的方向为z方向，以输入端口截面1的顶点为原点的直角坐标系，根据麦克斯韦方程组与所述无限长波导的边界条件，采取分离变量法获取无限长波导2中波导横截面的模式场分布

$E_t(x,y)=E_x(x,y)\stackrel{\→}{x}+E_y(x,y)\stackrel{\→}{y},---\left(1.1\right)$

其中： $E_x(x,y)=\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{A}_0{A}_{\mathrm{mn}}\left(f\right)\cos \left(\frac{\mathrm{m\π}}{a}x\right)\sin \left(\frac{\mathrm{n\π}}{b}y\right)=A_0\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{\tilde{E}}_x(m,n,x,y),---\left(1.2\right)$

$E_y(x,y)=\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{A}_0{B}_{\mathrm{mn}}\left(f\right)\sin \left(\frac{\mathrm{m\π}}{a}x\right)\cos \left(\frac{\mathrm{n\π}}{b}y\right)=A_0\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{\tilde{E}}_y(m,n,x,y),---\left(1.3\right)$

为横向单位矢量，A₀为以输入功率P₀进行功率馈电时对应的初始电场值功率系数，A_mn(f)、B_mn(f)为mn模式场幅度，是模式和频率的函数，m和n为0到无穷大的整数，进而有：

$E_t(x,y)=A_0{\tilde{E}}_t(x,y)=A_0[\stackrel{\→}{x}\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{\tilde{E}}_x(m,n,x,y)+\stackrel{\→}{y}\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{\tilde{E}}_y(m,n,x,y)]---\left(1.4\right)$

确定mn模式场对应的截止频率为

$f_{\mathrm{mn}}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{m\π}}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{n\π}}{b}\right)}^2}}{2\mathrm{\π}}v,---\left(1.5\right)$

其中：v为无限长波导2中的光速。

d.确定主模式场的初始电场值

根据步骤c所确定的模式场分布和规则波导端口微波部件的工作频率确定在所述无限长波导中传输的主模式场。根据待仿真规则波导端口微波部件的工作频点高于主模式场的截止频率的要求，对应于10GHz至12GHz的工作频段确定出满足上述要求的m，n（本实施例中m=1，n=0）；由此可见在所述无限长波导2中传输的主模式场为TE₁₀模式场。

对激励信号非时谐信号进行傅立叶变换得到其谱域表达式h(f)，其中f为工作频段10GHz至12GHz之间的任意一个工作频点，假设初始电场值功率系数A₀为1时，根据激励信号与工作频段利用坡印亭定理得到所述无限长波导2中TE₁₀模式场平均传输功率为

$\stackrel{\‾}{P}=\underset{f}{\∫}\frac{h\left(f\right)}{2\left|Z_c\left(f\right)\right|}\mathrm{df}\underset{s}{\∫\∫}{\left|{\tilde{E}}_t(x,y)\right|}^2\mathrm{ds}---\left(1.6\right)$

其中Z_c(f)为频率为f时TE₁₀模式下矩形波导的波阻抗，频率f的积分范围为工作频段10GHz至12GHz，s的积分范围为输入端口截面1对应区域。

根据输入功率P₀与平均传输功率确定以输入功率P₀进行功率馈电时对应的初始电场值功率系数结合步骤c所述mn模式场分布公式（1.1）～（1.4）得到每一个坐标点(x,y)处的TE₁₀模式场的初始电场值E_t(x,y)。

e.如图1所示，在所述无限长波导中与输入端口截面1一定距离d处（本实施例中为其中λ₀＝v/f₀，f₀为工作频段的中心频点，即11GHz）设置连接边界区域3，所述连接边界区域3的尺寸和外形与所述输入端口截面1的形状相同，将所述连接边界区域3分解成许多小网格单元，在沿主模式电场线方向的每个小网格单元棱边中点(x₁,y₁)上加入该点对应的TE₁₀模式场的初始电场值E_t(x₁,y₁)，从而在连接边界区域激励起TE₁₀模式场。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种规则波导端口微波部件电磁仿真的功率馈电方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.建立规则波导端口微波部件的三维几何模型，并根据三维几何模型提取激励信号输入端口截面的形状参数；所述规则波导为矩形波导；

b.确定规则波导端口微波部件的工作频段、激励信号和输入功率P₀；激励信号为非时谐信号h(t)；

c.根据所述输入端口截面的形状建立以该输入端口为横截面的无限长波导，根据麦克斯韦方程组与所述无限长波导的边界条件确定所述无限长波导中波导横截面的各模式场分布和对应的截止频率；所述无限长波导中波导横截面的各模式场分布通过分离变量法解析求解得到；

d.根据所述各模式场分布和对应的截止频率，以及规则波导端口微波部件的工作频率确定在所述无限长波导中传输的主模式场；假设初始电场值功率系数A₀为1时，根据激励信号确定所述主模式场平均传输功率根据所述主模式场平均传输功率和输入功率P₀确定所述主模式场的初始电场值功率系数A₀，其中对非时谐信号进行傅立叶变换得到其谱域表达式，结合坡印亭定理得到所述主模式场平均传输功率

e.在所述无限长波导中与输入端口截面一定距离处d设置连接边界区域，f₀为工作频段的中心频点，υ为无限长波导中的光速；所述连接边界区域的尺寸和外形与所述输入端口截面的形状相同；将所述连接边界区域分解成多个网格单元，在沿主模式场的电场线方向的每个网格单元的棱边中点上加入该点对应的主模式场的初始电场值，从而在连接边界区域激励起主模式场。