CN112329298A - 一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法及装置，属于仿真分析技术领域，解决了现有技术缺少公开的实现矩形波导定向耦合器的仿真优化方法的问题。仿真优化方法包括：基于电磁仿真软件建立定向耦合器的参数化三维模型，并根据定向耦合器的参数化三维模型设置材料参数、仿真条件及边界条件；对定向耦合器的参数化三维模型划分网格，基于仿真要求得到定向耦合器的最优结构化参数；基于定向耦合器的最优结构化参数进行网格收敛性分析，得到定向耦合器最终的结构化参数。实现了定向耦合器的仿真优化，简单易行，易于实施，具有重要的意义。

Description

一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法及装置

技术领域

本发明涉及仿真分析技术领域，尤其涉及一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法及装置。

背景技术

定向耦合器是微波系统中最常用的元件之一，尤其是在微波功率测量系统中，往往需要利用定向耦合器把功率信号耦合到测量系统能够测量的范围之内，再对信号进行精确地测量和分析。

现有的矩形波导定向耦合器的缺点是方向性较差，在某些需要高精度测量功率的测试实验或应用场景下，无法满足工作需求。且目前没有关于矩形波导定向耦合器的仿真优化方法。

为了解决现有技术存在的技术问题，同时，为了实现国家重大科技基础设施项目高能同步辐射光源工程的储存环和增强器的500MHz高频系统相关的高功率传输组件设备的高性能要求，本申请提出了一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法及装置。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法及装置，用以解决现有技术缺少公开的实现矩形波导定向耦合器的仿真优化方法的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法，包括如下步骤：

基于电磁仿真软件建立定向耦合器的参数化三维模型，并根据所述定向耦合器的参数化三维模型设置材料参数、仿真条件及边界条件；

对所述定向耦合器的参数化三维模型划分网格，并基于仿真要求得到定向耦合器的最优结构化参数；

基于所述定向耦合器的最优结构化参数进行网格收敛性分析，得到定向耦合器最终的结构化参数。

进一步，所述定向耦合器的仿真要求包括方向性要求及隔离度要求；所述电磁仿真软件为CST软件。

进一步，所述定向耦合器包括矩形波导和至少一个耦合头，耦合头的外壳与矩形波导的宽面焊接，所述耦合头包括与矩形波导宽面垂直的两个端口，所述两个端口为两条同轴传输线，每一同轴传输线均包括由内向外同轴设置的内导体和外导体；所述耦合头还包括耦合片和下部垫环，所述耦合片的两端与两个内导体的底部焊接，所述下部垫环位于外壳下部向内方向设置的边沿与外导体之间；

所述定向耦合器的结构化参数包括外壳的内径、下部垫环的高度、耦合片的尺寸和旋转角度。

进一步，基于电磁仿真软件建立定向耦合器的参数化三维模型，包括如下步骤：

基于定向耦合器的工作频率，选择矩形波导的尺寸；

按照功率传输方向，在所述矩形波导的宽面建立至少一个耦合头的三维模型；

设置所述定向耦合器的结构化参数范围，得到定向耦合器的参数化三维模型，其中，所述定向耦合器的结构化参数的范围包括：外壳的内径范围为20～80mm，下部垫环的高度范围为0～20mm，旋转角度范围为0～90度，耦合片的长度范围为20～60mm、宽度范围为2～20mm、高度范围为1～5mm。

进一步，所述矩形波导、外导体、外壳和下部垫环的材料参数均为铝，所述内导体和耦合片的材料参数均为铜，所述支撑件的材料参数为聚四氟乙烯。

进一步，所述仿真条件包括仿真的频率范围和仿真的背景材料；其中，所述仿真的频率范围为480～520MHz，所述仿真的背景材料为空气。

进一步，仿真的所述边界条件为电边界。

进一步，对所述定向耦合器的参数化三维模型划分网格，并基于仿真要求得到定向耦合器的最优结构化参数，包括如下步骤：

对所述定向耦合器的参数化三维模型划分网格，得到多个网格单元；

基于CST软件和有限元分析法对多个所述网格单元进行分析，得到定向耦合器的最优结构化参数。

进一步，基于所述定向耦合器的最优结构化参数进行网格收敛性分析，得到定向耦合器最终的结构化参数，包括如下步骤：

增加划分网格的数量，对应得到定向耦合器的最优结构化参数；

基于增加网格前后的所述定向耦合器的最优结构化参数得到方向性误差，并判断所述方向性误差是否小于误差阈值，若是，则增加划分网格后对应得到的所述定向耦合器的最优结构化参数即为定向耦合器最终的结构化参数，若否，继续增加划分网格的数量，直至增加划分网格前后的方向性误差小于误差阈值，则增加划分网格后对应得到的定向耦合器的最优结构化参数即为定向耦合器最终的结构化参数。

另一方面，本发明提供了一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化装置，包括：

模型获得模块，用于根据电磁仿真软件建立定向耦合器的参数化三维模型，并根据所述定向耦合器的参数化三维模型设置材料参数、仿真条件及边界条件；

网格划分模块，用于对所述定向耦合器的参数化三维模型划分网格，并基于仿真要求得到定向耦合器的最优结构化参数；

最终结构化参数获得模块，用于根据所述定向耦合器的最优结构化参数进行网格收敛性分析，得到定向耦合器最终的结构化参数。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法，简洁明确，具有极高的实践操作性，为仿真阶段得到矩形波导高方向性的定向耦合器的提供了说明与帮助，补充了这一仿真领域的空白，针对不同频率的微波，应用范围广，为后续高方向性矩形波导定向耦合器的生产制造及加工提供了理论依据与仿真参考，具有重要的指导意义。

2、通过设计仿真需求、选择电磁仿真软件、基于电磁仿真软件建立定向耦合器的参数化三维模型，并根据定向耦合器的参数化三维模型设置材料参数、仿真条件及边界条件，为后续进行定向耦合器的仿真优化设计提供了支撑和依据，具有重要的意义。

3、通过定向耦合器的参数化三维模型划分网格得到多个网格单元后，基于CST软件和有限元分析法得到定向耦合器的最优结构化参数，方法简单，易于实施。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为一个实施例中高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法流程示意图；

图2为一个实施例中高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法流程框图；

图3为一个实施例中定向耦合器的结构示意图；

图4为一个实施例中耦合头的前视图；

图5为一个实施例中单个耦合头的俯视图；

图6为一个实施例中定向耦合器的俯视图；

图7为一个实施例中关于定向耦合器的耦合度及隔离度的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

现有的矩形波导定向耦合器的缺点是方向性较差，在某些需要高精度测量功率的测试实验或应用场景下，无法满足工作需求，且目前缺少公开的关于矩形波导定向耦合器的仿真优化方法。为此，为了解决现有技术存在的问题，同时，为了实现国家重大科技基础设施项目高能同步辐射光源工程的储存环和增强器的500MHz高频系统相关的高功率传输组件设备的高性能要求，本申请提出了一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法及装置，如图1所示，通过确定仿真要求、选择仿真软件、建立参数化三维模型、在所述仿真软件上设置材料参数、仿真条件及边界条件；进而对建立的所述参数化三维模型进行网格划分，得到定向耦合器的最优结构化参数，最后进行网格收敛性分析，得到定向耦合器最终的结构化参数，方法简单，易于实施，补充了对定向耦合器仿真优化的空白，有利于高方向性矩形波导定向耦合器的批量化生产。

本发明的一个具体实施例，公开了一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法，如图2所示，包括步骤S1～S3。

步骤S1、基于电磁仿真软件建立定向耦合器的参数化三维模型，并根据定向耦合器的参数化三维模型设置材料参数、仿真条件及边界条件。具体来说，在建立定向耦合器的参数化三维模型之前，可以先确定仿真要求，其中，仿真要求包括方向性要求及隔离度要求。示例性的，本实施例以工作功率为499.8MHZ的高方向性矩形波导定向耦合器为例进行仿真优化设计，方向性要求为矩形波导定向耦合器在工作频率点的方向性的绝对值大于40dB，隔离度要求为隔离度的绝对值大于90dB。同时，在一个实施例中的高方向性矩形波导定向耦合器需要在大功率微波传输系统中监测正向传输功率、提取微波信号用于频谱分析且提取反射功率的信号并入到控制系统中进行反馈与控制时，可以设置两个正向耦合头和一个反向耦合头。确定定向耦合器的仿真要求后，接着选择合适的计算机电磁仿真分析软件，综合考虑后选择专门用于电磁场设计分析及优化的CST Studio

软件，以下简称CST软件。

优选地，如图3所示，定向耦合器包括矩形波导和至少一个耦合头，耦合头的外壳与矩形波导的宽面焊接。如图4和5所示，耦合头包括与矩形波导宽面垂直的两个端口，两个端口为两条同轴传输线，每一同轴传输线均包括由内向外同轴设置的内导体和外导体；耦合头还包括耦合片和下部垫环，耦合片的两端与两个内导体的底部焊接，下部垫环位于外壳下部向内方向设置的边沿与外导体之间；定向耦合器的结构化参数包括外壳的内径、下部垫环的高度、耦合片的尺寸和旋转角度。具体来说，矩形波导与任一耦合头组成一个四端口网络，矩形波导的两端分别为四端口网络的输入端口和输出端口，耦合头的两个端口分别为四端口网络的耦合端口和隔离端口。内导体、外导体及耦合片共同构成耦合结构，能够将从矩形波导输入端口输入的微波功率耦合并输出至耦合端口。结构简单，易于实施，且定向耦合器的方向性较高，使得耦合端口测量得到的微波功率的测量误差较小，测量精度较高。

优选地，基于电磁仿真软件建立定向耦合器的参数化三维模型，包括如下步骤：

基于定向耦合器的工作频率，选择矩形波导的尺寸；

按照功率传输方向，在矩形波导的宽面建立至少一个耦合头的三维模型；

设置定向耦合器的结构化参数范围，得到定向耦合器的参数化三维模型，其中，定向耦合器的结构化参数的范围包括：外壳的内径范围为20～80mm，下部垫环的高度范围为0～20mm，旋转角度范围为0～90度，耦合片的长度范围为20～60mm、宽度范围为2～20mm、高度范围为1～5mm。

具体来说，在确定仿真要求并选择了电磁仿真软件后，可以在CST软件中建立定向耦合器的参数化三维模型。根据矩形波导推荐的工作频率，选择WR1800型标准矩形波导作为主传输线波导，其波导端口的内部尺寸为宽边长度457.2mm，窄边长度228.6mm。然后在WR1800矩形波导的宽面沿功率传输方向(即AB方向)的中心线上，建立一个耦合头三维模型。

耦合头中关键性尺寸及角度的建模为参数化建模，其中，定义外壳内径的取值范围为20-80mm，下部垫环高度的取值范围为0-20mm，耦合片长宽高分别为的取值范围分别为20-60mm、2-20mm、1-5mm，旋转角度的取值范围为：0-90度。对于上述耦合头的关键性尺寸及角度，外壳内径影响矩形波导定向耦合器的工作频点，下部垫环的高度及耦合片长宽高影响耦合强度，旋转角度影响耦合头两个同轴传输线上分别耦合到的功率大小，因此对方向性的大小起了决定作用。建立第一个耦合头三维模型后，可在CST中利用复制功能，复制第一个耦合头，并以阵列的方式沿WR1800矩形波导宽面中心线依次粘贴排列，根据实际需求，该实施例中总共建立了三个耦合头模型，两个前向耦合头和一个反向耦合头。如图6所示，对于矩形波导宽面从左至右依次排列的耦合头，第一个和第二个为正向耦合头，第三个为反向耦合头。根据功率传输方向(即AB方向)，设置WR1800矩形波导的输入端口为1端口，输出端口为2端口，对于正向耦合头，设置耦合头上靠近1端口的输出端口为耦合端口3，设置耦合头上靠近2端口的输出端口为隔离端口4。对于反向耦合头，其耦合端口与隔离端口的设置刚好与上述前向功率耦合头的相反。接着根据后续需要实际加工的样件的材料，在CST软件中赋予不同组件特定的材料参数，如WR1800矩形波导的材料为铝，耦合头中外导体、外壳、下部垫环的材料均为铝，内导体和耦合片的材料均为铜，支撑件的材料为聚四氟乙烯。设置仿真的激励输入信号为默认的高斯型信号。同时，设置仿真条件和边界条件，其中，仿真条件包括仿真的频率范围和仿真的背景材料，仿真的频率范围为480～520MHz，仿真的背景材料为空气。仿真的边界条件为电边界(E_t＝0)。

通过设计仿真需求、选择电磁仿真软件、基于电磁仿真软件建立定向耦合器的参数化三维模型，并根据定向耦合器的参数化三维模型设置材料参数、仿真条件及边界条件，为后续进行定向耦合器的仿真优化设计提供了支撑和依据，具有重要的意义。

步骤S2、对定向耦合器的参数化三维模型划分网格，并基于仿真要求得到定向耦合器的最优结构化参数。详细地，对定向耦合器的参数化三维模型划分网格，得到定向耦合器的最优结构化参数，包括下述步骤S201～S202。

步骤S201、对定向耦合器的参数化三维模型划分网格，得到多个网格单元，其中，可先对定向耦合器的参数化三维模型进行粗略的网格划分，当后续步骤S3中对网格收敛性分析失败时，可增加划分网格的数量即对定向耦合器的参数化三维模型进行精细化的网格划分。

步骤S202、基于CST软件及有限元分析法对多个网格单元进行分析，得到定向耦合器的最优结构化参数。具体来说，本申请对定向耦合器的参数化三维模型划分网格得到多个网格单元后，基于CST软件和有限元分析法得到定向耦合器的最优结构化参数，其中，有限元分析法具体包括下述步骤：通过控制变量法依次对每个结构化参数的设定值进行求解，每更改一次设定值，均能对应得到一个方向性数值和隔离度数值，同时判断该方向性数值和隔离度数值是否均满足仿真要求，并将满足仿真要求的定向耦合器的最佳方向性对应的参数值作为所述参数的最优结构参数。在某一参数按照特定步长从最小值逐步增加到最大值时，可对应得到多组方向性数值和隔离度数值，比较同一个参数在各个不同设定值下，矩形波导定向耦合器方向性、隔离度的数值，并取方向性最佳时的设定值为该参数的最佳结构参数。在一个参数的设定值确定的情况下，再依次确定其余参数的设定值，直至得到定向耦合器所有参数的最优结构参数。

通过定向耦合器的参数化三维模型划分网格得到多个网格单元后，然后基于CST软件和有限元分析法得到定向耦合器的最优结构化参数，方法简单，易于实施。

步骤S3、基于定向耦合器的最优结构化参数及仿真要求进行网格收敛性分析，得到定向耦合器最终的结构化参数，包括下述步骤S301～S302。

步骤S301、增加划分网格的数量，对应得到定向耦合器的最优结构化参数。具体来说，增加定向耦合器的参数化三维模型划分的网格数量，再次基于有限元分析法得到定向耦合器的最优结构化参数。

步骤S302、基于增加网格前后的定向耦合器的最优结构化参数得到方向性误差，并判断方向性误差是否小于误差阈值，若是，则增加划分网格后对应得到的定向耦合器的最优结构化参数即为定向耦合器最终的结构化参数，若否，继续增加划分网格的数量，直至增加划分网格前后的方向性误差小于误差阈值，则增加划分网格后对应得到的定向耦合器的最优结构化参数即为定向耦合器最终的结构化参数。详细地，增加网格前后得到的定向耦合器的最优结构化参数均对应一个方向性数值，比较这两个方向性数值的误差，若误差结果小于误差阈值，即认为仿真结果已收敛，可得到定向耦合器最终的结构化参数。本实施例中的误差阈值取0.1％，实际应用中，误差阈值可综合考虑仿真精度以及所能承受的仿真耗时得到。若仿真结果不收敛，可再次增加划分网格的数量并进行收敛性判断，即基于增加划分网格的数量，得到对应的定向耦合器的最优结构化参数及方向性误差，当该方向性误差小于误差阈值时，仿真结果已收敛，本次增加网格后对应得到的定向耦合器的最优结构化参数即为定向耦合器最终的结构化参数。

如图7所示的关于定向耦合器的耦合度及隔离度的仿真结果示意图，最终的仿真结果为矩形波导定向耦合器的耦合度S31与隔离度S41的数值，可根据公式D＝I-C，其中，D为方向性，I为隔离度，C为耦合度，计算得到方向性数值。此实施例中，矩形波导定向耦合器在工作频点499.8MHz处，C≈-54.3dB，I≈-95.8dB，D＝I-C≈-41.5dB，根据仿真优化之前确定的仿真要求，即方向性要求为矩形波导定向耦合器在工作频率点的方向性的绝对值大于40dB，隔离度要求为隔离度的绝对值大于90dB，可知，本实施例中的矩形波导定向耦合器满足方向性的绝对值大于40dB，隔离度的绝对值大于90dB的仿真要求，且定向耦合器的方向性远好于市面上现有的一般定向耦合器产品-30dB左右的方向性，表明了本申请提供的高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法解决了现有技术存在的问题，补充了定向耦合器仿真领域的空白。

与现有技术相比，本实施例提供的高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法，简洁明确，具有极高的实践操作性，为仿真阶段得到矩形波导定向耦合器的高方向性提供了说明与帮助，补充了这一仿真领域的空白，针对不同频率的微波，应用范围广，为后续高方向性矩形波导定向耦合器的生产制造及加工提供了理论依据与仿真参考，具有重要的指导意义。

本发明的另一个实施例，提供了一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化装置，包括模型获得模块，用于根据电磁仿真软件建立定向耦合器的参数化三维模型，并根据定向耦合器的参数化三维模型设置材料参数、仿真条件及边界条件；网格划分模块，用于对定向耦合器的参数化三维模型划分网格，并基于仿真要求得到定向耦合器的最优结构化参数；最终结构化参数获得模块，用于根据定向耦合器的最优结构化参数进行网格收敛性分析，得到定向耦合器最终的结构化参数。由于高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化装置与方法的原理相似，关于装置的原理可以参照前述方法，这里不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术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。

Claims (10)

1.一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

基于电磁仿真软件建立定向耦合器的参数化三维模型，并根据所述定向耦合器的参数化三维模型设置材料参数、仿真条件及边界条件；

对所述定向耦合器的参数化三维模型划分网格，并基于仿真要求得到定向耦合器的最优结构化参数；

基于所述定向耦合器的最优结构化参数进行网格收敛性分析，得到定向耦合器最终的结构化参数。

2.根据权利要求1所述的高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法，其特征在于，所述定向耦合器的仿真要求包括方向性要求及隔离度要求；所述电磁仿真软件为CST软件。

3.根据权利要求1所述的高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法，其特征在于，所述定向耦合器包括矩形波导和至少一个耦合头，耦合头的外壳与矩形波导的宽面焊接，所述耦合头包括与矩形波导宽面垂直的两个端口，所述两个端口为两条同轴传输线，每一同轴传输线均包括由内向外同轴设置的内导体和外导体；所述耦合头还包括耦合片和下部垫环，所述耦合片的两端与两个内导体的底部焊接，所述下部垫环位于外壳下部向内方向设置的边沿与外导体之间；

其中，定向耦合器的结构化参数包括外壳的内径、下部垫环的高度、耦合片的尺寸和旋转角度。

4.根据权利要求3所述的高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法，其特征在于，基于电磁仿真软件建立定向耦合器的参数化三维模型，包括如下步骤：

基于定向耦合器的工作频率，选择矩形波导的尺寸；

按照功率传输方向，在所述矩形波导的宽面建立至少一个耦合头的三维模型；

设置所述定向耦合器的结构化参数范围，得到定向耦合器的参数化三维模型，其中，所述定向耦合器的结构化参数的范围包括：外壳的内径范围为20～80mm，下部垫环的高度范围为0～20mm，旋转角度范围为0～90度，耦合片的长度范围为20～60mm、宽度范围为2～20mm、高度范围为1～5mm。

5.根据权利要求4所述的高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法，其特征在于，所述矩形波导、外导体、外壳和下部垫环的材料参数均为铝，所述内导体和耦合片的材料参数均为铜，所述支撑件的材料参数为聚四氟乙烯。

6.根据权利要求1-5任一项所述的高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法，其特征在于，所述仿真条件包括仿真的频率范围和仿真的背景材料；其中，所述仿真的频率范围为480～520MHz，所述仿真的背景材料为空气。

7.根据权利要求1-5任一所述的高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法，其特征在于，仿真的所述边界条件为电边界。

8.根据权利要求2所述的高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法，其特征在于，对所述定向耦合器的参数化三维模型划分网格，并基于仿真要求得到定向耦合器的最优结构化参数，包括如下步骤：

对所述定向耦合器的参数化三维模型划分网格，得到多个网格单元；

基于CST软件和有限元分析法对多个所述网格单元进行分析，得到定向耦合器的最优结构化参数。

9.根据权利要求8所述的高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化方法，其特征在于，基于所述定向耦合器的最优结构化参数及仿真要求进行网格收敛性分析，得到定向耦合器最终的结构化参数，包括如下步骤：

增加划分网格的数量，对应得到定向耦合器的最优结构化参数；

基于增加网格前后的所述定向耦合器的最优结构化参数得到方向性误差，并判断所述方向性误差是否小于误差阈值，若是，则增加划分网格后对应得到的所述定向耦合器的最优结构化参数即为定向耦合器最终的结构化参数，若否，继续增加划分网格的数量，直至增加划分网格前后的方向性误差小于误差阈值，则增加划分网格后对应得到的定向耦合器的最优结构化参数即为定向耦合器最终的结构化参数。

10.一种高方向性矩形波导定向耦合器的仿真优化装置，其特征在于，包括：

模型获得模块，用于根据电磁仿真软件建立定向耦合器的参数化三维模型，并根据所述定向耦合器的参数化三维模型设置材料参数、仿真条件及边界条件；

网格划分模块，用于对所述定向耦合器的参数化三维模型划分网格，并基于仿真要求得到定向耦合器的最优结构化参数；

最终结构化参数获得模块，用于根据所述定向耦合器的最优结构化参数进行网格收敛性分析，得到定向耦合器最终的结构化参数。

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