CN114330195A - 一种腔体滤波器电热耦合仿真测试方法、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电热仿真领域，具体公开了一种腔体滤波器电热耦合仿真测试方法、设备及介质，包括根据腔体滤波器的设计参数，生成腔体滤波器的第一数学模型；依据电磁转换算法和预设的给定信号，对第一数学模型进行优化，计算得到腔体滤波器的电磁损耗结果；其中，给定信号是根据设计参数而设定；依据电磁损耗模型和第一数学模型，通过稳态热算法，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布；通过三维温度场分布结果，获得腔体滤波器的发热位置及其发热温度，并将其输出为腔体滤波器的电热耦合预测结果。本发明可以分析腔体滤波器工作过程中的发热温度和发热位置，降低了腔体滤波器的研发成本。
Description
技术领域
本发明涉及电热仿真领域，尤其涉及一种腔体滤波器电热耦合仿真测试方法、设备及介质。
背景技术
滤波器是一种二端口网络，它具有选择频率的特性，即可以让某些频率顺利通过，而对其它频率加以阻拦。常见的滤波器有螺旋振子滤波器、微带滤波器、交指型滤波器等，虽然它们的设计方法各有特殊之处，但是这些设计方法仍是以低频综合法滤波器设计为基础。随着通信技术的发展，滤波器的多频率工作场景越来越普遍，对分隔频率的要求也相应提高，尤其是对临近频道的抗干扰要求越来越严格，导致常见的滤波器就很难满足。腔体滤波器就是随着通讯技术的发展而产生的新秀，其在电路和电子高频系统中有较好的选频滤波作用，并能抑制频带外无用信号及噪声，在航空、航天、雷达、通信、电子对抗、广播电视及各种电子测试设备中的需求越来越大。
由于腔体滤波器一般采用金属制成，同时会承受较大功率的电磁波通过，在此过程中，滤波器会对电磁波产生一定损耗，这些损耗会产生热量。发热对腔体滤波器部件本身的材料特性及基本性能等都会产生影响。长期的实践证明，如果腔体滤波器前期设计不当，会对电子产品和系统的可靠性产生不利影响，尤其是微波能量大功率传输时产生的腔体滤波器严重发热问题，会导致整个系统崩溃。因此腔体滤波器是否会因电磁能量而产生严重发热及温度分布是否符合要求，已经成为腔体滤波器设计与测试中一个越来越重要的指标。
近年来，计算机辅助设计在工程领域越来越受到重视，可以在产品设计初期利用仿真技术设计与分析产品的各项性能，单纯的电磁场仿真或者单纯的热场仿真技术已经成熟，可以借助现有软件实现，比如HFSS、CST软件等。但电磁-温度场耦合仿真，即电磁热耦合仿真仍不成熟。在研究腔体滤波器时，研究人员任缺乏一种在不同输入激励下的腔体滤波器三维温度场分布仿真办法，从而不能判断不同激励下腔体滤波器结构是否满足温度指标要求。
发明内容
为了克服现有技术在腔体滤波器的设计过程中的对发热温度和发热位置的分析精度低，试验成本高的问题，本发明提供一种腔体滤波器电热耦合仿真测试方法、设备及介质。
本发明提供了一种腔体滤波器电热耦合仿真测试方法，包括：
根据腔体滤波器的设计参数，生成腔体滤波器的第一数学模型；
依据电磁转换算法和预设的给定信号，对所述第一数学模型进行仿真计算，得到所述腔体滤波器的电磁损耗结果；其中，所述给定信号是根据所述设计参数而设定；
依据所述电磁损耗计算结果和所述第一数学模型，通过稳态热算法，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布结果；
通过三维温度场分布结果，获得所述腔体滤波器的发热位置及其发热温度，并将其输出为所述腔体滤波器的电热耦合预测结果。
作为优选地，所述依据电磁转换算法和预设的给定信号，对所述第一数学模型进行优化，计算得到所述腔体滤波器的电磁损耗结果，具体为：
将所述第一数学模型进行网格划分，以及边界条件设置；
计算给定信号在第一数学模型中所划分网格中的分布；
依据电磁转换算法，计算各网格的电磁损耗数据，对其汇总得到电磁损耗结果。
优选地，所述依据所述电磁损耗计算结果和所述第一数学模型，通过稳态热算法，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布结果，具体为：
将所述第一数学模型进行网格划分，设置边界条件、交界面的热交换系数，以及环境温度；
计算在第一数学模型所划分的网格中的电磁损耗数据；
依据稳态热算法，计算各网格在电磁损耗数据下的发热数据；
依据所述交界面的热交换系数和环境温度，通过发热数据计算获得三维温度场分布结果。
优选地，还包括：
分析所述腔体滤波器的发热位置及其发热温度，判断其发热温度的数值是否超过预设阈值；
如是，则修改所述腔体滤波器的设计参数，并重新进行电热耦合仿真测试。
优选地，所述电磁转换算法是通过协同仿真环境平台中的电磁仿真软件进行计算；所述依据电磁转换算法，在给定信号输入第一数学模型时，计算得到所述腔体滤波器的电磁损耗结果，具体为：
将腔体滤波器模型以及参数导入电磁仿真软件，并设定输入的给定信号；
通过运行电磁仿真软件，得到所述腔体滤波器在通过电磁信号后产生的电磁损耗计算结果。
优选地，所述稳态热算法是通过协同仿真环境平台中稳态热仿真软件进行计算；所述依据所述电磁损耗计算结果和所述第一数学模型，通过稳态热算法，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布结果；具体为：
在协同仿真环境平台中，建立所述电磁仿真软件和所述稳态热仿真软件之间的关联；
所述电磁仿真软件将所述将电磁损耗计算结果和腔体滤波器模型以及参数共享给所述稳态热仿真软件；
通过运行所述稳态热仿真软件，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布结果。
本发明还提供了一种腔体滤波器电热耦合仿真测试设备，包括：第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块和输出模块；
所述第一计算模块用于；根据腔体滤波器的设计参数，生成腔体滤波器的第一数学模型；
所述第二计算模块用于依据电磁转换算法和预设的给定信号，对所述第一数学模型进行优化，计算得到所述腔体滤波器的电磁损耗结果；其中，所述给定信号是根据所述设计参数而设定；
所述第三计算模块用于依据所述电磁损耗计算结果和所述第一数学模型，通过稳态热算法，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布结果；
所述输出模块用于通过三维温度场分布结果，获得所述腔体滤波器的发热位置及其发热温度，并将其输出为所述腔体滤波器的电热耦合预测结果。
本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述腔体滤波器电热耦合仿真测试方法。
本发明的有益效果是：
通过建模计算得到腔体滤波器的三维温度场分布，从而可以分析腔体滤波器工作过程中的发热温度和发热位置，进而判定腔体滤波器是否可以正常工作，降低了腔体滤波器的研发成本，为改进腔体滤波器的设计提供更精确的数据支持。
附图说明
下文将结合说明书附图对本发明进行进一步的描述说明，其中：
图1为本发明其中一个实施例的方法流程图；
图2为本发明另一实施例的HFSS与Steady-State Thermal耦合界面；
图3为本发明另一实施例的腔体滤波器模型；
图4为本发明另一实施例的三维温度场分布图；
图5为本发明另一实施例的实际温度测试成像。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
参见图1，作为本发明的其中一个实施，公开了一种腔体滤波器电热耦合仿真测试方法，包括：
S1、根据腔体滤波器的设计参数，生成腔体滤波器的第一数学模型；
S2、依据电磁转换算法和预设的给定信号，对所述第一数学模型进行优化，计算得到所述腔体滤波器的电磁损耗结果；其中，所述给定信号是根据所述设计参数而设定；
S3、依据所述电磁损耗计算结果和所述第一数学模型，通过稳态热算法，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布结果；
S4、通过三维温度场分布结果，获得所述腔体滤波器的发热位置及其发热温度，并将其输出为所述腔体滤波器的电热耦合预测结果。
作为优选地，所述步骤S2，包括分步骤如下：
S21、将所述第一数学模型进行网格划分，以及边界条件设置；
S22、计算给定信号在第一数学模型中所划分网格中的分布；
S23、依据电磁转换算法，计算各网格的电磁损耗数据，对其汇总得到电磁损耗计算结果。
优选地，所述步骤S3，包括分步骤如下：
S31、将所述第一数学模型进行网格划分，设置边界条件、交界面的热交换系数，以及环境温度；
S32、计算在第一数学模型所划分的网格中的电磁损耗数据；
S33、依据稳态热算法，计算各网格在电磁损耗数据下的发热数据；
S34、依据所述交界面的热交换系数和环境温度，通过发热数据计算获得三维温度场分布结果。
优选地，还包括：
S5、分析所述腔体滤波器的发热位置及其发热温度，判断其发热温度的数值是否超过预设阈值；
S51、如是，则修改所述腔体滤波器的设计参数，并重新进行电热耦合仿真测试。
优选地，所述电磁转换算法是通过协同仿真环境平台中的电磁仿真软件进行计算；所述依据电磁转换算法，在给定信号输入第一数学模型时，计算得到所述腔体滤波器的电磁损耗结果，具体为：
S21、将腔体滤波器模型以及参数导入电磁仿真软件，并设定输入的给定信号；
S22、通过运行电磁仿真软件，得到所述腔体滤波器在通过电磁信号后产生的电磁损耗结果。
优选地，所述稳态热算法是通过协同仿真环境平台中稳态热仿真软件进行计算；所述依据所述电磁损耗计算结果和所述第一数学模型，通过稳态热算法，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布结果；具体为：
S31、在协同仿真环境平台中，建立所述电磁仿真软件和所述稳态热仿真软件之间的关联；
S32、所述电磁仿真软件将所述将电磁损耗计算结果和腔体滤波器模型以及参数共享给所述稳态热仿真软件；
S33、通过运行所述稳态热仿真软件，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布。
本实施例还提供了一种腔体滤波器电热耦合仿真测试设备，包括：第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块和输出模块；
所述第一计算模块用于；根据腔体滤波器的设计参数，生成腔体滤波器的第一数学模型；
所述第二计算模块用于依据电磁转换算法和预设的给定信号，对所述第一数学模型进行优化，计算得到所述腔体滤波器的电磁损耗模型；其中，所述给定信号是根据所述设计参数而设定；
所述第三计算模块用于依据所述电磁损耗计算结果和所述第一数学模型，通过稳态热算法，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布结果；
所述输出模块用于通过三维温度场分布模型，获得所述腔体滤波器的发热位置及其发热温度，并将其输出为所述腔体滤波器的电热耦合预测结果。
通过仿真得到腔体滤波器的三维温度场分布，从而可以分析腔体滤波器工作过程中的发热温度和发热位置，进而判定腔体滤波器是否可以正常工作，以及为改进设计提供数据支持。
参见图2至图5，是本发明的另一实施例，基于ANSYS软件平台，对腔体滤波器进行电磁温度耦合仿真测试，利用腔体滤波器的材料参数(电导率、磁导率、密度、热交换系数等)和电磁波的参数(频率、功率等)得到腔体滤波器在工作过程中的温度分布仿真结果，从而指导腔体滤波器的设计。涉及的软件包括HFSS以及Steady-State Thermal。其中，电磁仿真采用HFSS软件，通过电磁仿真得到腔体滤波器在通过信号后产生的电磁损耗。热仿真采用Steady-State Thermal软件，通过热仿真得到腔体滤波器在通过信号后的三维温度分布，
首先进行腔体滤波器电磁仿真，目的是通过仿真得到滤波器在通过信号后产生的电磁损耗，具体过程如下：
A1、启动workbench平台，启动HFSS以及Steady-State Thermal软件，建立两款软件的关联，如图2所示；
A2、将腔体滤波器三维模型导入到HFSS软件内；
A3、在HFSS软件内进行设置腔体滤波器模型材料参数、网格划分、边界条件设置操作；
A4、在HFSS软件内建立端口，设置进入腔体滤波器内部的信号；
A5、添加求解设置，设置求解频率，运行仿真，得到腔体滤波器在信号通过后的电磁损耗；
A6、利用Steady-State Thermal进行热仿真，其中，模型由HFSS共享；
A7、在Steady-State Thermal软件内添加材料，并设置材料参数，为后续给腔体滤波器赋材料做准备；
A8、在Steady-State Thermal软件模块里给腔体滤波器赋予材料，同时划分网格；
A9、将HFSS仿真得到的腔体滤波器的电磁损耗导入到Steady-State Thermal软件，设置腔体滤波器与周围交界面的热交换系数，设置环境温度；
A10、运行热仿真，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布，
A11、根据仿真结果判定腔体滤波器温度分布是否符合要求。如果不符合，可以通过修改腔体滤波器结构以及调整信号源功率重新进行电热耦合仿真得到符合要求的设计。
图4将信号源功率设置设置为220W时腔体滤波器温度分布仿真结果，满足设计规范。图5是利用热成像仪测试得到的腔体滤波器在信号(220W)通过后产生的温度分布实际测试结果，可以发现仿真结果和实际测试结果在温度分布以及温度数值上均比较接近，因此可以证明本实施例针对腔体滤波器电热耦合仿真方法的有效性。利用腔体滤波器电热耦合仿真可以在产品设计初期判断腔体滤波器是否可以正常工作以及可以为腔体滤波器的散热设计提供指导。
本发明还公开了一种终端设备，包括处理器和存储装置，存储装置用于存储一个或多个程序；当一个或多个程序被处理器执行时，处理器实现上述的腔体滤波器电热耦合仿真测试方法。所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所称处理器是测试设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个测试设备的各个部分。
存储装置可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储装置内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储装置内的数据，实现终端设备的各种功能。存储装置可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储装置可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中，腔体滤波器电热耦合仿真测试设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于至少一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
需说明的是，以上所描述的设备及装置的实施例仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种腔体滤波器电热耦合仿真测试方法，其特征在于，包括：
根据腔体滤波器的设计参数，生成腔体滤波器的第一数学模型；
依据电磁转换算法和预设的给定信号，对所述第一数学模型进行优化，计算得到所述腔体滤波器的电磁损耗；其中，所述给定信号是根据所述设计参数而设定；
依据所述电磁损耗计算结果和所述第一数学模型，通过稳态热算法，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布结果；
通过三维温度场分布结果，获得所述腔体滤波器的发热位置及其发热温度，并将其输出为所述腔体滤波器的电热耦合预测结果。
2.根据权利要求1所述的一种腔体滤波器电热耦合仿真测试方法，其特征在于，所述依据电磁转换算法和预设的给定信号，对所述第一数学模型进行优化，计算得到所述腔体滤波器的电磁损耗结果，具体为：
将所述第一数学模型进行网格划分，以及边界条件设置；
计算给定信号在第一数学模型中所划分网格中的分布；
依据电磁转换算法，计算各网格的电磁损耗数据，对其汇总得到电磁损耗计算结果。
3.根据权利要求1所述的一种腔体滤波器电热耦合仿真测试方法，其特征在于，所述依据所述电磁损耗计算结果和所述第一数学模型，通过稳态热算法，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布结果，具体为：
将所述第一数学模型进行网格划分，设置边界条件、交界面的热交换系数，以及环境温度；
计算第一数学模型所划分的网格中的电磁损耗数据；
依据稳态热算法，计算各网格在电磁损耗数据下的发热数据；
依据所述交界面的热交换系数和环境温度，通过发热数据计算获得三维温度场分布结果。
4.根据权利要求1所述的一种腔体滤波器电热耦合仿真测试方法，其特征在于，还包括：
分析所述腔体滤波器的发热位置及其发热温度，判断其发热温度的数值是否超过预设阈值；
如是，则修改所述腔体滤波器的设计参数，并重新进行电热耦合仿真测试。
5.根据权利要求1所述的一种腔体滤波器电热耦合仿真测试方法，其特征在于，所述电磁转换算法是通过协同仿真环境平台中的电磁仿真软件进行计算；所述依据电磁转换算法，在给定信号输入第一数学模型时，计算得到所述腔体滤波器的电磁损耗结果，具体为：
将腔体滤波器模型以及参数导入电磁仿真软件，并设定输入的给定信号；
通过运行电磁仿真软件，得到所述腔体滤波器在通过电磁信号后产生的电磁损耗结果。
6.根据权利要求5所述的一种腔体滤波器电热耦合仿真测试方法，其特征在于，所述稳态热算法是通过协同仿真环境平台中稳态热仿真软件进行计算；所述依据所述电磁损耗计算结果和所述第一数学模型，通过稳态热算法，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布结果；具体为：
在协同仿真环境平台中，建立所述电磁仿真软件和所述稳态热仿真软件之间的关联；
所述电磁仿真软件将所述将电磁损耗结果和腔体滤波器模型以及参数共享给所述稳态热仿真软件；
通过运行所述稳态热仿真软件，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布。
7.一种腔体滤波器电热耦合仿真测试设备，其特征在于，包括：第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块和输出模块；
所述第一计算模块用于；根据腔体滤波器的设计参数，生成腔体滤波器的第一数学模型；
所述第二计算模块用于依据电磁转换算法和预设的给定信号，对所述第一数学模型进行优化，计算得到所述腔体滤波器的电磁损耗结果；其中，所述给定信号是根据所述设计参数而设定；
所述第三计算模块用于依据所述电磁损耗计算结果和所述第一数学模型，通过稳态热算法，得到腔体滤波器在给定信号输入后的三维温度场分布结果；
所述输出模块用于通过三维温度场分布结果，获得所述腔体滤波器的发热位置及其发热温度，并将其输出为所述腔体滤波器的电热耦合预测结果。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至6中任意一项所述的腔体滤波器电热耦合仿真测试方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No. 8 Qishan Road, Shiqi Town, Panyu District, Guangzhou City, Guangdong Province, 510000, 150 Applicant after: Radio and TV Measurement and Testing Group Co.,Ltd. Address before: 511450 150, No. 8, Qishan Road, Shiqi Town, Panyu District, Guangzhou City, Guangdong Province Applicant before: GUANGZHOU GRG METROLOGY & TEST Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information |