CN111767655A - 一种基于电磁场和温度场的器件建模方法 - Google Patents

一种基于电磁场和温度场的器件建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁场和温度场的器件建模方法，步骤S1，在室温下测定第一器件独立工作时的第一温度分布曲线f1，并测定器件独立工作时的输出结果，生成第一输出结果曲线g1；步骤S2，在室温下，分别测定与所述第一器件距离为di的第i器件工作时的第一器件工作时的温度分布曲线f1i；步骤S3，设定第一温度分布曲线f1，第一输出结果曲线g1为标准曲线，将上述步骤S2中的第一器件温度分布函数T(di,f1i,gi)中对应的温度分布曲线和输出结果曲线分别与标准曲线进行比对；步骤S4，根据形成的第一器件温度分布函数T(di,f1i,gi)，以及单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)以及单一器件输出结果误差矩阵T1(di,f1i,G1i)，生成多器件温度场矩阵Tn(dn,f1n,g1n)。

Description

一种基于电磁场和温度场的器件建模方法
技术领域
本发明涉及器件建模方法技术领域，且更具体地涉及一种基于电磁场和温度场的器件建模方法。
背景技术
目前，器件的电磁场建模的常用方法包括：物理模型、数学模型和黑箱模型等。其中物理模型是指基于工艺材料或半导体器件的物理特性进行理论分析和计算，这种模型通常用来设计器组件，从设计电路的角度来看其应用不方便，而且仿真非常耗时，另外工艺上稍有改变，模型就会失效。但这种模型也有其优点，即物理概念清晰，能够在不依赖测试结果的情况下预测器件的性能；数学模型是指对物理特性进行抽象，得到其参数化的数学表达形式。这种模型是电子系统工艺级和器件级建模中实用的方法，模型精度主要取决于等效电路的形式及其数学描述。该模型中，反映器件特性的模型方程是基于器件物理方程导出的，但是做了必要的等效和简化。这类模型的优点是需要的数据少，建立模型需要的时间较短，其缺点是无法与工艺技术相互关联；黑箱模型(black box model)是把建模对象看成一个黑箱，不需要知道内部的结构和作用机理，只需知道端口的工作特性，确定该从激励信号到响应信号之间的数值转换关系。显然，这是一种纯粹的数学模型，它无需相关的物理工艺知识和电路结构知识，因此建模的背景知识可独立于各专业学科外。
中国专利公开号CN109635519A，公开了一种基于电磁场和温度场耦合的微波光子器件建模方法，通过对室温下的器件独立工作的分度曲线情况进行测定及建模，其他温度情况进行运算及推导。该中方式下，多环境下的建模结果并不准确，只依赖于推导计算。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施例部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种基于电磁场和温度场的器件建模方法，包括：
步骤S1，在室温下测定第一器件独立工作时的第一温度分布曲线f1，并测定器件独立工作时的输出结果，生成第一输出结果曲线g1；
步骤S2，在室温下，分别测定与所述第一器件距离为di的第i器件工作时的第一器件工作时的温度分布曲线f1i，以及第i输出结果曲线gi，以及第i器件的第i温度分布曲线fi，形成第一器件温度分布函数T(di,f1i,gi),其中，i大于等于2，生成该三维矩阵；生成第i器件的第i温度分布曲线fi的一维矩阵；
步骤S3，设定第一温度分布曲线f1，第一输出结果曲线g1为标准曲线，将上述步骤S2中的第一器件温度分布函数T(di,f1i,gi)中对应的温度分布曲线和输出结果曲线分别与标准曲线进行比对，分别获得单一器件温度误差曲线F1i,以及单一器件输出结果误差曲线G1i，形成单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)以及单一器件输出结果误差矩阵T1(di,f1i,G1i)；
步骤S4，根据形成的第一器件温度分布函数T(di,f1i,gi)，以及单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)以及单一器件输出结果误差矩阵T1(di,f1i,G1i)，生成多器件温度场矩阵Tn(dn,f1n,g1n)；
进一步地，在上述步骤S2中，在室温下，使与所述第一器件距离为d2的第二器件工作，在该环境下测定第一器件工作时的温度分布曲线f12,并测定第一器件工作时的输出结果，生成第二输出结果曲线g2；同时，在室温下测定第二器件的温度分布曲线f2。
进一步地，在上述步骤S2中，在室温下，使与所述第一器件距离为d3的第三器件工作，在该环境下测定第一器件工作时的温度分布曲线f13,并测定第一器件工作时的输出结果，生成第三输出结果曲线g3；
同时，在室温下测定第三器件的温度分布曲线f3。
进一步地，在上述步骤S3中，在计算过程中，将其中以第i温度分布曲线f1i与第一温度分布曲线f1至于同一坐标系中，获取在同一时刻的温度差值tj，汇总温度差值tj,形成温度差值曲线F1i，并对i个器件汇总形成单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)。
进一步地，在上述步骤S3中，在计算过程中，将其中以第i输出结果分布曲线g1i与第一输出结果曲线g1至于同一坐标系中，获取在同一时刻的结果差值gj，汇总结果差值gj,形成结果差值曲线G1i，并对i个器件汇总形成单一结果差值矩阵T1(di,f1i,G1i)。
进一步地，在上述步骤S4中，在该过程中，首先计算任一器件的温度因子k,获取上述步骤S4中的第i器件的第i温度分布曲线fi的一维矩阵，根据单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)，获取温度因子k,
k＝(|f2-F12|+|f3-F13|+......|fi-F1i|)/(f2+f3+......+fi) (1)。
进一步地，在上述步骤S4中，在该过程中，根据根据单一器件输出结果误差矩阵T1(di,f1i,G1i)计算输出结果因子z,
z＝(|g11-g1|+|g12-g1|+......+|g1i-g1|)/(i x g1) (2)。
进一步地，在测量器件工作时，还存在三个器件工作时的温度场矩阵，多器件温度场矩阵Tn(dn,f1n,g1n)中，
f1n＝f1+n x k x f1
g1n＝g1+n x z x g1 (5)。
进一步地，还包括步骤S5，还通过建立器件输出的理想数学模型，将温度因子k，以及多器件温度场矩阵Tn(dn,f1n,g1n)代入数学模型中，输出完成模型输出特性的计算。
进一步地，所述步骤S5中，建立数学模型为：基于数学模型建立器件模型yi＝f(k1,k2,…,kn)，i为采样点，n为模型参数的个数，k为参数类型，f为模型室温下的温度函数；以室温下器件独立工作时输出结果作为参考，调节模型的参数k1,k2,…kn，使常温下满足yi＝ri；
将温度因子k以及函数关系k(T)代入数学模型后，得到最终的输出结果yi＝f(k1,k2,…,kl(T),…,kn)。
本发明的有益效果在于：本发明基于电磁场和温度场的器件建模方法，通过将第一器件独立工作时的第一温度分布曲线，第一输出结果曲线作为基准参量，测定与所述第一器件距离为di的第i器件工作时的第一器件工作时的温度分布曲线以及结果输出曲线，第i器件的第i温度分布曲线，作为计算依据，生成任一器件的温度因子k，以及输出结果因子z，计算多器件温度场矩阵Tn(dn,f1n,g1n)。通过考虑多环境、多器件下的温度曲线规律，形成高精度的器件建模方式，适用于微波、光学以及微波光子学等领域的建模。可通过单独的误差运算形成输出结果，也可代入数学模型形成输出结果。
尤其，本发明通过设定第一输出结果曲线g1为标准曲线，将上述步骤S2中的第一器件温度分布函数T(di,f1i,gi)中对应的温度分布曲线和输出结果曲线分别与标准曲线进行比对，分别获得单一器件温度误差曲线F1i,以及单一器件输出结果误差曲线G1i，形成单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)以及单一器件输出结果误差矩阵T1(di,f1i,G1i)，通过将不同距离的器件的温度影响进行量化，将距离因素同时作为考虑因素，结合为温度因子k，以及输出结果因子z。并在计算过程中，考虑特定的第i器件的第i温度分布曲线fi的一维矩阵，作为双向考虑因素，既考虑其他器件对当前器件的影响，也考虑其他器件自身的温度因素。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
本发明实施例基于电磁场和温度场的器件建模方法，其包括：
步骤S1，在室温下测定第一器件独立工作时的第一温度分布曲线f1，并测定器件独立工作时的输出结果，生成第一输出结果曲线g1；
步骤S2，在室温下，使与所述第一器件距离为d2的第二器件工作，在该环境下测定第一器件工作时的温度分布曲线f12,并测定第一器件工作时的输出结果，生成第二输出结果曲线g2；
同时，在室温下测定第二器件的温度分布曲线f2；
步骤S3，在室温下，使与所述第一器件距离为d3的第三器件工作，在该环境下测定第一器件工作时的温度分布曲线f13,并测定第一器件工作时的输出结果，生成第三输出结果曲线g3；
同时，在室温下测定第三器件的温度分布曲线f3；
步骤S4，在室温下，分别测定与所述第一器件距离为di的第i器件工作时的第一器件工作时的温度分布曲线f1i，以及第i输出结果曲线gi，以及第i器件的第i温度分布曲线fi，形成第一器件温度分布函数T(di,f1i,gi),其中，i大于等于2，生成该三维矩阵；生成第i器件的第i温度分布曲线fi的一维矩阵。
步骤S5，设定第一温度分布曲线f1，第一输出结果曲线g1为标准曲线，将上述步骤S4中的第一器件温度分布函数T(di,f1i,gi)中对应的温度分布曲线和输出结果曲线分别与标准曲线进行比对，分别获得单一器件温度误差曲线F1i,以及单一器件输出结果误差曲线G1i，形成单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)以及单一器件输出结果误差矩阵T1(di,f1i,G1i)。
在该步骤S5中，在计算过程中，将其中以第i温度分布曲线f1i与第一温度分布曲线f1至于同一坐标系中，获取在同一时刻的温度差值tj，汇总温度差值tj,形成温度差值曲线F1i，并对i个器件汇总形成单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)。
在该步骤S5中，在计算过程中，将其中以第i输出结果分布曲线g1i与第一输出结果曲线g1至于同一坐标系中，获取在同一时刻的结果差值gj，汇总结果差值gj,形成结果差值曲线G1i，并对i个器件汇总形成单一结果差值矩阵T1(di,f1i,G1i)。
步骤S6，根据形成的第一器件温度分布函数T(di,f1i,gi)，以及单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)以及单一器件输出结果误差矩阵T1(di,f1i,G1i)，生成多器件温度场矩阵Tn(dn,f1n,g1n)。
在该步骤S6中，在室温下单一器件工作时，设定还有n个器件同时工作，则对于该器件生成多器件温度场矩阵Tn(dn,f1n,g1n),n为自然整数，i，j均为自然整数，其中，
在该过程中，首先计算任一器件的温度因子k,获取上述步骤S4中的第i器件的第i温度分布曲线fi的一维矩阵，根据单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)，获取温度因子k,
k＝(|f2-F12|+|f3-F13|+......|fi-F1i|)/(f2+f3+......+fi) (1)。
其次，根据根据单一器件输出结果误差矩阵T1(di,f1i,G1i)计算输出结果因子z,
Z＝(|g11-g1|+|g12-g1|+......+|g1i-g1|)/(i x g1) (2)。
则在测量器件工作时，还存在两个器件工作时的温度场矩阵：二器件温度场矩阵T2(d2,f12,g12)中，
f12＝f1+2x k x f1
g12＝g1+2 x z x g1 (3)
则在测量器件工作时，还存在三个器件工作时的温度场矩阵：三器件温度场矩阵T3(d3,f13,g13)中，
f13＝f1+3x k x f1
g13＝g1+3 x z x g1 (4)
则在测量器件工作时，还存在三个器件工作时的温度场矩阵，多器件温度场矩阵Tn(dn,f1n,g1n)中，
f1n＝f1+n x k x f1
g1n＝g1+n x z x g1 (5)。
步骤S7，还通过建立器件输出的理想数学模型，将温度因子k，以及多器件温度场矩阵Tn(dn,f1n,g1n)代入数学模型中，输出完成模型输出特性的计算。
其中，建立数学模型可以为：基于数学模型建立器件模型yi＝f(k1,k2,…,kn)，i为采样点，n为模型参数的个数，k为参数类型，f为模型室温下的温度函数；以室温下器件独立工作时输出结果作为参考，调节模型的参数k1,k2,…kn，使常温下满足yi＝ri。
将温度因子k以及函数关系k(T)代入数学模型后，得到最终的输出结果yi＝f(k1,k2,…,kl(T),…,kn)。
具体而言，本发明实施例中利用贴片型或非接触型温度传感器测量器件稳定工作时的温度，根据器件所处的介质导热特性。测量的参数包括温度、RF输入功率、幅度、相位。
本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (10)

1.一种基于电磁场和温度场的器件建模方法，其特征在于，包括：
步骤S1，在室温下测定第一器件独立工作时的第一温度分布曲线f1，并测定器件独立工作时的输出结果，生成第一输出结果曲线g1；
步骤S2，在室温下，分别测定与所述第一器件距离为di的第i器件工作时的第一器件工作时的温度分布曲线f1i，以及第i输出结果曲线gi，以及第i器件的第i温度分布曲线fi，形成第一器件温度分布函数T(di,f1i,gi),其中，i大于等于2，生成该三维矩阵；生成第i器件的第i温度分布曲线fi的一维矩阵；
步骤S3，设定第一温度分布曲线f1，第一输出结果曲线g1为标准曲线，将上述步骤S2中的第一器件温度分布函数T(di,f1i,gi)中对应的温度分布曲线和输出结果曲线分别与标准曲线进行比对，分别获得单一器件温度误差曲线F1i,以及单一器件输出结果误差曲线G1i，形成单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)以及单一器件输出结果误差矩阵T1(di,f1i,G1i)；
步骤S4，根据形成的第一器件温度分布函数T(di,f1i,gi)，以及单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)以及单一器件输出结果误差矩阵T1(di,f1i,G1i)，生成多器件温度场矩阵Tn(dn,f1n,g1n)。
2.根据权利要求1所述的基于电磁场和温度场的器件建模方法，其特征在于，
在上述步骤S2中，在室温下，使与所述第一器件距离为d2的第二器件工作，在该环境下测定第一器件工作时的温度分布曲线f12,并测定第一器件工作时的输出结果，生成第二输出结果曲线g2；同时，在室温下测定第二器件的温度分布曲线f2。
3.根据权利要求1所述的基于电磁场和温度场的器件建模方法，其特征在于，在上述步骤S2中，在室温下，使与所述第一器件距离为d3的第三器件工作，在该环境下测定第一器件工作时的温度分布曲线f13,并测定第一器件工作时的输出结果，生成第三输出结果曲线g3；
同时，在室温下测定第三器件的温度分布曲线f3。
4.根据权利要求1所述的基于电磁场和温度场的器件建模方法，其特征在于，在上述步骤S3中，在计算过程中，将其中以第i温度分布曲线f1i与第一温度分布曲线f1至于同一坐标系中，获取在同一时刻的温度差值tj，汇总温度差值tj,形成温度差值曲线F1i，并对i个器件汇总形成单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)。
5.根据权利要求4所述的基于电磁场和温度场的器件建模方法，其特征在于，在上述步骤S3中，在计算过程中，将其中以第i输出结果分布曲线g1i与第一输出结果曲线g1至于同一坐标系中，获取在同一时刻的结果差值gj，汇总结果差值gj,形成结果差值曲线G1i，并对i个器件汇总形成单一结果差值矩阵T1(di,f1i,G1i)。
6.根据权利要求5所述的基于电磁场和温度场的器件建模方法，其特征在于，在上述步骤S4中，在该过程中，首先计算任一器件的温度因子k,获取上述步骤S4中的第i器件的第i温度分布曲线fi的一维矩阵，根据单一器件温度场差值矩阵T1(di,f1i,F1i)，获取温度因子k,
k＝(|f2-F12|+|f3-F13|+......|fi-F1i|)/(f2+f3+......+fi) (1)。
7.根据权利要求6所述的基于电磁场和温度场的器件建模方法，其特征在于，在上述步骤S4中，在该过程中，根据根据单一器件输出结果误差矩阵T1(di,f1i,G1i)计算输出结果因子z,
z＝(|g11-g1|+|g12-g1|+......+|g1i-g1|)/(i x g1) (2)。
8.根据权利要求6所述的基于电磁场和温度场的器件建模方法，其特征在于，在测量器件工作时，还存在三个器件工作时的温度场矩阵，多器件温度场矩阵Tn(dn,f1n,g1n)中，
f1n＝f1+n x k x f1
g1n＝g1+n x z x g1 (5)。
9.根据权利要求6所述的基于电磁场和温度场的器件建模方法，其特征在于，还包括步骤S5，还通过建立器件输出的理想数学模型，将温度因子k，以及多器件温度场矩阵Tn(dn,f1n,g1n)代入数学模型中，输出完成模型输出特性的计算。
10.根据权利要求9所述的基于电磁场和温度场的器件建模方法，其特征在于，所述步骤S5中，建立数学模型为：基于数学模型建立器件模型yi＝f(k1,k2,…,kn)，i为采样点，n为模型参数的个数，k为参数类型，f为模型室温下的温度函数；以室温下器件独立工作时输出结果作为参考，调节模型的参数k1,k2,…kn，使常温下满足yi＝ri；
将温度因子k以及函数关系k(T)代入数学模型后，得到最终的输出结果yi＝f(k1,k2,…,kl(T),…,kn)。
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