CN113408133B - 一种密集金属过孔的半解析分析方法 - Google Patents

一种密集金属过孔的半解析分析方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113408133B
CN113408133B CN202110707804.5A CN202110707804A CN113408133B CN 113408133 B CN113408133 B CN 113408133B CN 202110707804 A CN202110707804 A CN 202110707804A CN 113408133 B CN113408133 B CN 113408133B
Authority
CN
China
Prior art keywords
matrix
wave
radial
expansion coefficient
port
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110707804.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113408133A (zh
Inventor
田欣欣
徐涛
吴多龙
李健凤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong University of Technology
Original Assignee
Guangdong University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangdong University of Technology filed Critical Guangdong University of Technology
Priority to CN202110707804.5A priority Critical patent/CN113408133B/zh
Publication of CN113408133A publication Critical patent/CN113408133A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113408133B publication Critical patent/CN113408133B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/15—Correlation function computation including computation of convolution operations
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/16—Matrix or vector computation, e.g. matrix-matrix or matrix-vector multiplication, matrix factorization

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

本申请公开了一种密集金属过孔的半解析分析方法，利用边界积分法求解柱面波加法定理系数，在一维边界上划分片段，无需对整个区域划分网格，大大缩短了仿真时间，提高了建模速度，同时，还通过根据平行板的边界条件，考虑来自边界的反射波，可以计算平行板边界的反射波，从而能够实现在更高的频率上的建模更加精确，提高了实用性。

Description

一种密集金属过孔的半解析分析方法
技术领域
本申请涉及金属过孔建模技术领域，尤其涉及一种密集金属过孔的半解析分析方法。
背景技术
金属过孔在多层PCB和封装上被用来连接不同层的信号，是高速系统中较为常见的不连续结构，在高频时会引起非常严重的信号完整性，功率完整性和电磁干扰问题。例如：信号间的串扰和振铃、电源分配网络噪声、信号失真、眼图退化、边缘辐射等等。因此，对金属过孔进行准确且高效的建模对设计高速PCB和封装系统起着关键性的作用。
由密集金属过孔阵列构成的导波结构，例如基片集成波导或者金属电磁带隙结构，可以看作是嵌有金属过孔阵列的平行板，有着加工成本低，易于集成的优点，并且保持了传统金属波导低辐射和低损耗等优点，在高速数字电路上也能实现很好的互连。第五代移动通信(5G)用到毫米波频段资源，考虑到微带馈电在毫米波频段所带来的损耗以及电磁辐射，毫米波天线通常采用金属通孔阵列馈电技术。
由于微波与高速系统正向着集成化、大规模、高速度和宽带的方向发展，电路的功能越来越多，指标越来越高，尺寸越做越小，分析与设计越来越复杂，而设计周期却越来越短，因此需要精确和快速地分析系统电磁特性并进行设计。因此，对平行板上密集通孔阵列的建模有助于分析和设计高速电路和微波电路。
在现有技术中，多是采用全波仿真软件分析或使用基于多重散射法的解析方法对平行板上密集通孔阵列进行建模，但发现上述建模方法中，使用全波仿真软件需要对整个计算区域划分网格，因此，仿真时间比较长，而使用基于多重散射法的解析方法，不能计算平行板边界的反射，相当于无限大的平行板，在更高的频率不够精确。
发明内容
本申请提供了一种密集金属过孔的半解析分析方法，用于解决现有的建模方法的建模时间较长且在更高的频率上的建模不够精确的技术问题。
有鉴于此，本申请提供了一种密集金属过孔的半解析分析方法，应用于多层平行板，多层所述平行板均设有若干个径向端口，若干个所述径向端口包括若干个同轴端口和若干个金属通孔，所述多层平行板之间的若干个所述金属通孔构成金属过孔阵列，包括以下步骤：
S1、以任一个径向端口的中心作为原点建立局部坐标系，基于所述局部坐标系下的柱面波获得垂直于所述平行板所在空间的电场的柱面波函数，基于所述电场的柱面波函数得到出射波的展开系数和入射波的展开系数，将所述出射波的展开系数和所述入射波的展开系数分别转换为出射波的展开系数矩阵和入射波的展开系数矩阵；
S2、依据柱面波加法定理，获得从所述平行板上的任一个径向端口向外出射的电磁波入射另一个径向端口的电磁波的幅度的表征函数，所述表征函数包含柱面波加法定理系数；
S3、根据所述平行板的边界条件，判断是否存在来自边界的反射波，当判断存在来自边界的反射波时，则利用边界积分法求解所述柱面波加法定理系数；
S4、通过所述柱面波加法定理系数关联所述出射波的展开系数矩阵和所述入射波的展开系数矩阵，从而得到第一关联函数关系；
S5、根据所述金属通孔的边界条件确定反射矩阵，根据所述反射矩阵获得所有金属通孔组合后的总反射矩阵，根据所有金属通孔的反射矩阵关系式，将所述总反射矩阵关联所述出射波的展开系数矩阵和所述入射波的展开系数矩阵，从而得到第二关联函数关系；
S6、通过对所述第一关联函数关系和所述第二关联函数关系进行矩阵运算，得到第二径向散射矩阵；
S7、基于所述第二径向散射矩阵和阻抗矩阵的变换关系，将所述第二径向散射矩阵变换为所述平行板的阻抗矩阵。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明利用边界积分法求解柱面波加法定理系数，在一维边界上划分片段，无需对整个区域划分网格，大大缩短了仿真时间，提高了建模速度，同时，还通过根据平行板的边界条件，考虑来自边界的反射波，可以计算平行板边界的反射波，从而能够实现在更高的频率上的建模更加精确，提高实用性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种密集金属过孔的半解析分析方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的平行板的俯视结构示意图；
图3为本申请实施例提供的平行板的另一俯视结构示意图；
图4为本申请实施例提供的含有金属通孔的平行板的等效微波网络示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在现有技术中，多是采用全波仿真软件分析或使用基于多重散射法的解析方法对平行板上密集通孔阵列进行建模，但发现上述建模方法中，使用全波仿真软件需要对整个计算区域划分网格，因此，仿真时间比较长，而使用基于多重散射法的解析方法，不能计算平行板边界的反射，相当于无限大的平行板，在更高的频率不够精确。
为了便于理解，请参阅图1，本发明提供的一种密集金属过孔的半解析分析方法，应用于多层平行板，多层平行板均设有若干个径向端口，若干个径向端口包括若干个同轴端口和若干个金属通孔，多层平行板之间的若干个金属通孔构成金属过孔阵列，包括以下步骤：
S1、以任一个径向端口的中心作为原点建立局部坐标系，基于局部坐标系下的柱面波获得垂直于平行板所在空间的电场的柱面波函数，基于电场的柱面波函数得到出射波的展开系数和入射波的展开系数，将出射波的展开系数和入射波的展开系数分别转换为出射波的展开系数矩阵和入射波的展开系数矩阵；
S2、依据柱面波加法定理，获得从平行板上的任一个径向端口向外出射的电磁波入射另一个径向端口的电磁波的幅度的表征函数，表征函数包含柱面波加法定理系数；
S3、根据平行板的边界条件，判断是否存在来自边界的反射波，当判断存在来自边界的反射波时，则利用边界积分法求解柱面波加法定理系数；
S4、通过柱面波加法定理系数关联出射波的展开系数矩阵和入射波的展开系数矩阵，从而得到第一关联函数关系；
S5、根据金属通孔的边界条件确定反射矩阵，根据反射矩阵获得所有金属通孔组合后的总反射矩阵，根据所有金属通孔的反射矩阵关系式，将总反射矩阵关联出射波的展开系数矩阵和入射波的展开系数矩阵，从而得到第二关联函数关系；
S6、通过对第一关联函数关系和第二关联函数关系进行矩阵运算，得到第二径向散射矩阵；
S7、基于第二径向散射矩阵和阻抗矩阵的变换关系，将第二径向散射矩阵变换为平行板的阻抗矩阵。
需要说明的是，使用全波仿真工具需要对整个区域划分网格，因此，仿真时间较长，而本实施例通过利用边界积分法求解柱面波加法定理系数，在一维边界上划分片段，无需整个区域划分网格，大大缩短了仿真时间，提高了建模速度，同时，还通过根据平行板的边界条件，考虑来自边界的反射波，可以计算平行板边界的反射波，从而能够实现在更高的频率上的建模更加精确，提高实用性。
以下为本发明提供的一种密集金属过孔的半解析分析方法的具体实施例的详细描述。
请参阅图2，图2示意出了具有同轴端口和金属过孔阵列的平行板的俯视图，多层平行板均设有若干个径向端口，若干个径向端口包括若干个同轴端口和若干个金属通孔，多层平行板之间的若干个金属通孔构成金属过孔阵列，其中，多层平行板之间的金属过孔阵列构成的围栏为任意形状的，平行板之间的介质厚度为h，相对介电常数和损耗角正切分别是εr和tanδ。
在步骤S1中，具体包括：
S101、以第i径向端口的中心作为原点建立局部坐标系，基于局部坐标系
Figure GDA0004119301790000051
波的展开系数，Jm和
Figure GDA0004119301790000052
分别表示为第m阶贝塞尔函数和第二类汉克尔函数，ρi、
Figure GDA0004119301790000053
z表示以第i个径向端口为中心的局部坐标系下的点的坐标值，kn表示为波数，
Figure GDA0004119301790000054
该式中的w表示角频率，ε0、μ0、εr均为常数，j1表示虚部单位，m和n均表示电磁场模式数，
Figure GDA0004119301790000055
和
Figure GDA0004119301790000056
所表示的无穷项的和分别用整数Mi和整数N截断，m∈[-Mi,Mi]，n∈[0,N]，h表示平行板之间的介质厚度；
需要说明的是，
Figure GDA0004119301790000057
和
Figure GDA0004119301790000058
所表示的无穷项的和均为整数，也就是其可以利用整数来截断，从而可以计算更为复杂的电磁场模式，以提高在更高频率下的建模精确度。
出射波表示出射的柱面谐波，入射波表示入射的柱面谐波。
入射波的展开系数
Figure GDA0004119301790000059
和出射波的展开系数
Figure GDA00041193017900000510
转换为行数为(N+1)×(2Mi+1)的入射波的展开系数矩阵a(i)和出射波的展开系数矩阵b(i)，具体分别表示为，
Figure GDA00041193017900000511
Figure GDA00041193017900000512
。
在步骤S2中具体包括：
S201、依据柱面波加法定理，通过汉克尔函数和贝塞尔函数的转换表征从平行板上的第j个径向端口向外出射的电磁波入射第i个径向端口的电磁波的幅度，其表征表达式为，
Figure GDA0004119301790000061
公式4中，
Figure GDA0004119301790000062
表示柱面波加法定理系数，m'表示电磁场模式数，
Figure GDA0004119301790000063
为(2Mi+1)×(2Mj+1)矩阵，
Figure GDA0004119301790000064
和
Figure GDA0004119301790000065
分别表示为局部坐标系下的第i个径向端口和第j个径向端口的坐标。
步骤S3具体包括：
S301、根据平行板的边界条件，判断是否存在来自边界的反射波，当判断不存在来自边界的反射波时，则执行步骤S302，当判断存在来自边界的反射波时，则执行步骤S303；
S302、仅考虑从第j个径向端口到第i个径向端口的直入射波，则根据汉克尔函数和贝塞尔函数的变换对柱面波加法定理系数进行解析得到如下式，
Figure GDA0004119301790000066
公式5中，δij表示克罗内克函数，
Figure GDA0004119301790000067
表示汉克尔函数，ρji表示第j个径向端口到第i个径向端口的距离；
需要说明的是，当判断不存在来自边界的反射波时，则说明平行板为无穷大的平行板，也即理想匹配层(perfectlymatched layer，PML)边界的平行板，没有从边界来的反射波，因此，只需考虑从第j个径向端口到第i个径向端口的直入射波。
S303、利用边界积分法求解柱面波加法定理系数。
需要说明的是，在实际应用中，判断存在来自边界的反射波的情况比较常见，如理想电导体(perfect electric conductor，PEC)边界或理想磁导体(perfect magneticconductor，PMC)边界的有限大平行板，则需要计算来自平行板边缘的反射波，并利用边界积分法求解柱面波加法定理系数，具体求解过程如下：
(1)对于PEC边界的平行板，柱面波加法定理系数可以写成：
Figure GDA0004119301790000071
公式5.1中，
Figure GDA0004119301790000072
表示柱面波加法定理系数，
Figure GDA0004119301790000073
表示直入射波，其等于公式5中的
Figure GDA0004119301790000074
表示来自边界的反射波，
Figure GDA0004119301790000075
表示矩量法矩阵，
Figure GDA0004119301790000076
表示由第j个径向端口出射的柱面谐波入射到PEC边界上的片段的柱面谐波，
Figure GDA0004119301790000077
表示将PEC边界片段上的等效电流转换为发射到第i个径向端口的柱面谐波。
如图3所示，假设将平行板的边界Γ划分为Ne个片段，然后，通过边界积分方程，可以计算出Ne×Ne的矩量法矩阵
Figure GDA0004119301790000078
为，
Figure GDA0004119301790000079
公式5.2中，
Figure GDA00041193017900000710
γ表示常数，γ＝1.781072418，s和t均表示边界Γ上的任意的片段，s,t＝1,2,…,Ne，矢量
Figure GDA00041193017900000711
和
Figure GDA00041193017900000712
分别指向片段t和片段s的中点，ws表示片段s的长度，ρts表示片段t到片段s的距离；
公式5.1中的
Figure GDA00041193017900000713
为Ne×(2Mj+1)矩阵，表示由第j个径向端口出射的柱面谐波入射到PEC边界上的片段的柱面谐波，其元素为，
Figure GDA00041193017900000714
公式5.3中，
Figure GDA00041193017900000715
矢量
Figure GDA00041193017900000716
表示第j个径向端口的位置，
Figure GDA00041193017900000717
表示矢量
Figure GDA00041193017900000718
和矢量
Figure GDA00041193017900000719
之间的夹角；
公式5.1中的
Figure GDA00041193017900000720
为Ne×(2Mj+1)矩阵，表示将PEC边界片段上的等效电流转换为发射到第i个径向端口的柱面谐波，其元素为，
Figure GDA00041193017900000721
公式5.4中，
Figure GDA00041193017900000722
矢量
Figure GDA00041193017900000723
表示第i个径向端口的位置；
(2)与上述PEC边界的平行板的柱面波加法定理系数的求解过程一致，对于PMC边界的平行板，柱面波加法定理系数可以写成：
Figure GDA00041193017900000724
公式5.5中，
Figure GDA00041193017900000725
表示直入射波，其等于公式5中的
Figure GDA00041193017900000726
表示来自边界的反射波，
Figure GDA00041193017900000727
表示将PMC边界片段上的等效磁流转换为发射到第i个径向端口的柱面谐波，
Figure GDA00041193017900000728
表示矩量法矩阵；
其中，矩量法矩阵
Figure GDA0004119301790000081
的元素为，
Figure GDA0004119301790000082
公式5.6中，
Figure GDA0004119301790000083
Figure GDA0004119301790000084
表示单位矢量；
Figure GDA0004119301790000085
中的元素为，
Figure GDA0004119301790000086
公式5.7中，
Figure GDA0004119301790000087
表示垂直方向的单位矢量；
步骤S4具体包括：
S401、根据柱面波加法定理系数得到第一径向散射矩阵为，
Figure GDA0004119301790000088
公式6.1中，
Figure GDA0004119301790000089
表示第一径向散射矩阵，
Figure GDA00041193017900000810
表示n阶高次模式下，第i个径向端口和第j个径向端口之间的柱面波加法定理系数矩阵，n＝2,...,N。
可以理解的是，柱面波加法定理系数
Figure GDA00041193017900000811
为第i、j两个径向端口所对应的柱面波加法定理系数，将所有的径向端口的柱面波加法定理系数组合后，得到公式6.1中的第一径向散射矩阵；
依据柱面波加法定理，出射波的展开系数矩阵和入射波的展开系数矩阵通过第一径向散射矩阵关联得到，
Figure GDA00041193017900000812
公式6中，
Figure GDA00041193017900000813
表示第一径向散射矩阵；
S402、假设平行板上设有Np个径向端口，其中，包括P个同轴端口和Q个金属通孔，则将第一径向散射矩阵进行组合，以构成Np个径向端口的总第一径向散射矩阵；
其中，总第一径向散射矩阵定义为SPP，则得到，
Figure GDA0004119301790000091
S403、考虑柱面谐波在同轴端口和金属通孔之间的传输关系，则将总第一径向散射矩阵转换为径向散射子矩阵为，
Figure GDA0004119301790000092
公式7中，Sss表示从同轴端口到同轴端口对应的第一径向散射矩阵，Ssv表示从同轴端口到金属通孔对应的第一径向散射矩阵，Svs表示从金属通孔到同轴端口对应的第一径向散射矩阵，Svv表示从金属通孔到金属通孔对应的第一径向散射矩阵。
可以理解的是，柱面谐波在同轴端口和金属通孔之间的传输关系可以包括四种情况，具体为从同轴端口传输至金属通孔，从金属通孔传输至同轴端口，从同轴端口传输至同轴端口，从金属通孔传输至金属通孔，因此，为了区分不同的传输关系，将总第一径向散射矩阵转换为如公式7所示的径向散射子矩阵。
S404、根据径向散射子矩阵和公式6，得到第一关联函数关系为，
Figure GDA0004119301790000093
公式8中，as和bs分别表示同轴端口的入射波的展开系数矩阵和出射波的展开系数矩阵，av和bv分别表示金属通孔的入射波的展开系数矩阵和出射波的展开系数矩阵。
可以理解的是，考虑区分同轴端口和金属通孔，因此，需要将同轴端口和金属通孔的第一关联函数关系进行区别表示，其中，在第一关联函数关系中，包含了通过径向散射子矩阵关联同轴端口的出射波的展开系数矩阵和入射波的展开系数矩阵的关联关系，以及通过径向散射子矩阵关联金属通孔的出射波的展开系数矩阵和入射波的展开系数矩阵的关联关系。
步骤S5具体包括：
S501、根据金属通孔的边界条件.确定反射矩阵中的元素为
Figure GDA0004119301790000094
公式9中，T(i)表示反射矩阵，T(i)(m,n)表示反射矩阵中的元素，ri表示第i个径向端口的半径；
需要说明的是，由于对每个过孔都是金属通孔，因此，用PEC边界作为基准边界，对于PEC边界的平行板过孔，内部没有磁场和电场，其金属通孔的边界条件为，
Figure GDA0004119301790000101
再根据公式9.1带入公式1中可以得到公式9。
S502、假设平行板上设有Q个金属通孔，则Q个金属通孔组合后的总反射矩阵T通过反射矩阵T(i)表示为，
T＝diag{T(i)}，i∈[1,Q]   公式10
S503、基于微波网络理论，将反射矩阵T(i)关联出射波的展开系数矩阵和入射波的展开系数矩阵得到金属通孔的反射矩阵关系式为，
b(i)＝T(i)a(i)   公式11
需要说明的是，含有同轴端口的金属通孔的等效微波网络如图4所示，将金属通孔看作负载，从而得到同轴端口之间的耦合，其中，假设有P个同轴端口和Q个金属通孔，则可以将Q个金属通孔可以看作是平行板的负载。
S504、将总反射矩阵T代入到公式11，得到第二关联函数关系为，
av＝T-1bv   公式12。
步骤S6具体包括：
S601、通过公式8进行矩阵运算得到下式，
av＝Svsbs+Svvbv   公式13
S602、将公式12代入至公式13中，得到同轴端口的出射波的展开系数矩阵bs和金属通孔的出射波的展开系数矩阵bv的关系式为，
bv＝(T-1-Svv)-1Svsbs  公式14
S603、将公式14代入至公式8中，得到下式：
as＝[Sss+Ssv(T-1-Svv)-1Svs]bs   公式15
S604、基于公式6通过第二径向散射矩阵表征公式15，则得到下式：
Figure GDA0004119301790000102
公式16中，
Figure GDA0004119301790000111
表示第二径向散射矩阵，则得到
Figure GDA0004119301790000112
步骤S7具体包括：
S701、基于第二径向散射矩阵和阻抗矩阵的变换关系，由第二径向散射矩阵可以计算得到下式：
Figure GDA0004119301790000113
公式17中，
Figure GDA0004119301790000114
表示平行板的阻抗矩阵，H0、J0、H1、J1均为P×P对角矩阵，具体为：
Figure GDA0004119301790000115
J0＝diag{J0(k0ri)h}
Figure GDA0004119301790000116
Figure GDA0004119301790000117
上式中，k0表示波数kn中的n为0下的波数；ω表示角频率，μ表示磁导率。
需要说明的是，对于同轴端口，本实施例的同轴端口的端口半径为电小尺寸，因此，在公式1中的无穷项之和可以设置为0，即只用考虑0阶的(即公式1中的m和n均为0)、各向同性的平行板模式。因此，同轴端口之间的耦合可以通过平行板的阻抗矩阵来表征。
在获得平行板的阻抗矩阵后，可以将其转换成广义散射参数矩阵来表征同轴端口之间的耦合。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种密集金属过孔的半解析分析方法，应用于多层平行板，多层所述平行板均设有若干个径向端口，若干个所述径向端口包括若干个同轴端口和若干个金属通孔，所述多层平行板之间的若干个所述金属通孔构成金属过孔阵列，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以任一个径向端口的中心作为原点建立局部坐标系，基于所述局部坐标系下的柱面波获得垂直于所述平行板所在空间的电场的柱面波函数，基于所述电场的柱面波函数得到出射波的展开系数和入射波的展开系数，将所述出射波的展开系数和所述入射波的展开系数分别转换为出射波的展开系数矩阵和入射波的展开系数矩阵；
步骤S1具体包括：
S101、以第i径向端口的中心作为原点建立局部坐标系，基于所述局部坐标系下的柱面波获得垂直于所述平行板所在空间的电场的柱面波函数的表达式为，
Figure FDA0004119301780000011
公式1中，
Figure FDA0004119301780000012
表示电场，
Figure FDA0004119301780000013
和
Figure FDA0004119301780000014
分别表示为入射波的展开系数和出射波的展开系数，Jm和
Figure FDA0004119301780000015
分别表示为第m阶贝塞尔函数和第二类汉克尔函数，ρi、
Figure FDA0004119301780000016
z表示以第i个径向端口为中心的局部坐标系下的点的坐标值，kn表示为波数，
Figure FDA0004119301780000017
w表示角频率，ε0、μ0、εr均为常数，j1表示虚部单位，m和n均表示电磁场模式数，
Figure FDA0004119301780000018
和
Figure FDA0004119301780000019
所表示的无穷项的和分别用整数Mi和整数N截断，m∈[-Mi,Mi]，n∈[0,N]，h表示平行板之间的介质厚度；
入射波的展开系数
Figure FDA00041193017800000110
和出射波的展开系数
Figure FDA00041193017800000111
转换为行数为(N+1)×(2Mi+1)的入射波的展开系数矩阵a(i)和出射波的展开系数矩阵b(i)，具体分别表示为，
Figure FDA00041193017800000112
Figure FDA0004119301780000021
S2、依据柱面波加法定理，获得从所述平行板上的任一个径向端口向外出射的电磁波入射另一个径向端口的电磁波的幅度的表征函数，所述表征函数包含柱面波加法定理系数；
步骤S2具体包括：
S201、依据柱面波加法定理，通过汉克尔函数和贝塞尔函数的转换表征从所述平行板上的第j个径向端口向外出射的电磁波入射第i个径向端口的电磁波的幅度，其表征表达式为，
Figure FDA0004119301780000022
公式4中，
Figure FDA0004119301780000023
表示柱面波加法定理系数，
Figure FDA0004119301780000024
为(2Mi+1)×(2Mj+1)矩阵，
Figure FDA0004119301780000025
和
Figure FDA0004119301780000026
分别表示为局部坐标系下的第i个径向端口和第j个径向端口的坐标；
S3、根据所述平行板的边界条件，判断是否存在来自边界的反射波，当判断存在来自边界的反射波时，则利用边界积分法求解所述柱面波加法定理系数；
步骤S3具体包括：
S301、根据所述平行板的边界条件，判断是否存在来自边界的反射波，当判断不存在来自边界的反射波时，则执行步骤S302，当判断存在来自边界的反射波时，则执行步骤S303；
S302、仅考虑从第j个径向端口到第i个径向端口的直入射波，则根据汉克尔函数和贝塞尔函数的变换对所述柱面波加法定理系数进行解析得到如下式，
Figure FDA0004119301780000027
公式5中，δij表示克罗内克函数，
Figure FDA0004119301780000028
表示汉克尔函数，ρji表示第j个径向端口到第i个径向端口的距离；
S303、利用边界积分法求解所述柱面波加法定理系数；
S4、通过所述柱面波加法定理系数关联所述出射波的展开系数矩阵和所述入射波的展开系数矩阵，从而得到第一关联函数关系；
S5、根据所述金属通孔的边界条件确定反射矩阵，根据所述反射矩阵获得所有金属通孔组合后的总反射矩阵，根据所有金属通孔的反射矩阵关系式，将所述总反射矩阵关联所述出射波的展开系数矩阵和所述入射波的展开系数矩阵，从而得到第二关联函数关系；
步骤S5具体包括：
S501、根据金属通孔的边界条件，确定反射矩阵中的元素为，
Figure FDA0004119301780000031
公式9中，T(i)表示反射矩阵，T(i)(m,n)表示反射矩阵中的元素，ri表示第i个径向端口的半径；
S502、设所述平行板上设有Q个金属通孔，则Q个金属通孔组合后的总反射矩阵T通过反射矩阵T(i)表示为，
T＝diag{T(i)}，i∈[1,Q]       公式10
S503、基于微波网络理论，将所述反射矩阵T(i)关联所述出射波的展开系数矩阵和所述入射波的展开系数矩阵得到金属通孔的反射矩阵关系式为，
b(i)＝T(i)a(i)        公式11
S504、将所述总反射矩阵T代入到公式11，得到第二关联函数关系为，
av＝T-1bv        公式12
av和bv分别表示所述金属通孔的所述入射波的展开系数矩阵和所述出射波的展开系数矩阵；
S6、通过对所述第一关联函数关系和所述第二关联函数关系进行矩阵运算，得到第二径向散射矩阵；
S7、基于所述第二径向散射矩阵和阻抗矩阵的变换关系，将所述第二径向散射矩阵变换为所述平行板的阻抗矩阵。
2.根据权利要求1所述的密集金属过孔的半解析分析方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
S401、根据所述柱面波加法定理系数得到第一径向散射矩阵，依据柱面波加法定理，所述出射波的展开系数矩阵和所述入射波的展开系数矩阵通过所述第一径向散射矩阵关联得到，
Figure FDA0004119301780000041
公式6中，
Figure FDA0004119301780000042
表示第一径向散射矩阵；
S402、设所述平行板上设有Np个径向端口，其中，包括P个同轴端口和Q个金属通孔，则将所述第一径向散射矩阵进行组合，以构成Np个径向端口的总第一径向散射矩阵；
S403、考虑柱面谐波在所述同轴端口和所述金属通孔之间的传输关系，则将所述总第一径向散射矩阵转换为径向散射子矩阵为，
Figure FDA0004119301780000043
公式7中，Sss表示从同轴端口到同轴端口对应的第一径向散射矩阵，Ssv表示从同轴端口到金属通孔对应的第一径向散射矩阵，Svs表示从金属通孔到同轴端口对应的第一径向散射矩阵，Svv表示从金属通孔到金属通孔对应的第一径向散射矩阵；
S404、根据所述径向散射子矩阵和公式6，得到所述第一关联函数关系为，
Figure FDA0004119301780000044
公式8中，as和bs分别表示所述同轴端口的所述入射波的展开系数矩阵和所述出射波的展开系数矩阵。
3.根据权利要求1所述的密集金属过孔的半解析分析方法，其特征在于，所述同轴端口的端口半径为电小尺寸。
CN202110707804.5A 2021-06-24 2021-06-24 一种密集金属过孔的半解析分析方法 Active CN113408133B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110707804.5A CN113408133B (zh) 2021-06-24 2021-06-24 一种密集金属过孔的半解析分析方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110707804.5A CN113408133B (zh) 2021-06-24 2021-06-24 一种密集金属过孔的半解析分析方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113408133A CN113408133A (zh) 2021-09-17
CN113408133B true CN113408133B (zh) 2023-04-14

Family

ID=77683158

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110707804.5A Active CN113408133B (zh) 2021-06-24 2021-06-24 一种密集金属过孔的半解析分析方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113408133B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6615400B1 (en) * 2001-02-01 2003-09-02 Advanced Micro Devices, Inc. Optimizing dense via arrays of shrunk integrated circuit designs
CN203859930U (zh) * 2014-05-15 2014-10-01 深圳市华严慧海电子有限公司 一种具有阻抗测试电路的pcb板
CN109089375A (zh) * 2018-09-26 2018-12-25 郑州云海信息技术有限公司 一种针对pcb板过孔对信号完整性影响的分析方法与系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7149666B2 (en) * 2001-05-30 2006-12-12 University Of Washington Methods for modeling interactions between massively coupled multiple vias in multilayered electronic packaging structures
CN108575055B (zh) * 2018-04-24 2020-11-13 广东工业大学 一种差分过孔分析方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6615400B1 (en) * 2001-02-01 2003-09-02 Advanced Micro Devices, Inc. Optimizing dense via arrays of shrunk integrated circuit designs
CN203859930U (zh) * 2014-05-15 2014-10-01 深圳市华严慧海电子有限公司 一种具有阻抗测试电路的pcb板
CN109089375A (zh) * 2018-09-26 2018-12-25 郑州云海信息技术有限公司 一种针对pcb板过孔对信号完整性影响的分析方法与系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113408133A (zh) 2021-09-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Al-Joumayly et al. Wideband planar microwave lenses using sub-wavelength spatial phase shifters
Holloway et al. Analysis of composite walls and their effects on short-path propagation modeling
Gupta Emerging trends in millimeter-wave CAD
Hwang A compact 2-D FDFD method for modeling microstrip structures with nonuniform grids and perfectly matched layer
Carr et al. A procedure for modeling material junctions in 3-D surface integral equation approaches
Fernández-Recio et al. Fully coupled hybrid FEM-UTD method using NURBS for the analysis of radiation problems
CN113408133B (zh) 一种密集金属过孔的半解析分析方法
Mittra et al. A computationally efficient technique for prototyping planar antennas and printed circuits for wireless applications
Pan et al. Full-wave analysis of microstrip floating-line discontinuities
Ho et al. Waveguide excited microstrip patch antenna-theory and experiment
Poormohammad et al. Direction finding and beamforming using cylindrical array of dipole antennas in the presence of cylindrical scatterer/reflector including the mutual coupling effect
Robinson et al. A Lossy Transmission Line Model for the Scan Impedance of the Infinite Dipole Array
Chen et al. An iterative algorithm based on the measured equation of invariance for the scattering analysis of arbitrary multicylinders
Liu et al. A reduced-domain layered-medium integral-equation method for electronic packages
Jandhyala et al. A fast algorithm for the analysis of radiation and scattering from microstrip arrays on finite substrates
Van Thielen et al. Method for the calculation of mutual coupling between discontinuities in planar circuits
Gay-Balmaz et al. Analysis of multilayer printed arrays by a modular approach based on the generalized scattering matrix
Drayton The development and characterization of self-packages using micromachining techniques for high frequency circuit applications
Hayashi et al. Radio-frequency power distribution measurement system using thin metamaterial absorber
Szypulski et al. An efficient simulation method of massive MIMO antenna arrays used in 5G mobile phones
Florencio et al. Efficient analysis of multi-resonant periodic structures for the improved analysis and design of reflectarray antennas
CN102680810B (zh) 微波暗室实验系统
CN118098457A (zh) 复杂曲面微纳结构电磁屏蔽效能综合评估分析方法
Yin et al. A fast algorithm based on MEI and FMM for field prediction in urban mobile communications
Bayderkhani et al. Hybrid MoM–PO analysis of multilayered SIW slot antenna with a dielectric slab radome

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant