公开/公告号CN103412984A
专利类型发明专利
公开/公告日2013-11-27
原文格式PDF
申请/专利权人 西安空间无线电技术研究所;
申请/专利号CN201310309258.5
申请日2013-07-22
分类号G06F17/50;
代理机构中国航天科技专利中心;
代理人褚鹏蛟
地址 710100 陕西省西安市长安区西街150号
入库时间 2024-02-19 21:05:45
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2014-10-08
授权
授权
2013-12-18
实质审查的生效 IPC(主分类):G06F17/50 申请日:20130722
实质审查的生效
2013-11-27
公开
公开
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:
其中:
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,Amn(f)、Bmn(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:
确定mn模式场对应的截止频率为
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
其中Zc(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Et(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Et(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
其中:
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,Amn(f)、Bmn(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:
确定mn模式场对应的截止频率为
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
其中Zc(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 Et(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Et(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。
机译: 具有多个馈电端口的微波炉的射频功率控制系统及其方法
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