一种基于时域有限差分的微波部件无源互调数值分析方法技术

一种基于时域有限差分的微波部件无源互调数值分析方法，提出引入微波部件金属接触处的微观形貌和接触状态的金属接触非线性模型的方法，实现了考虑金属接触非线性的微波部件的电磁场分析，再采用时域有限差分法计算了不考虑金属接触非线性的微波部件输出端口的电磁场，将两个信号进行时域对消，降低了数值计算误差的干扰，突出了无源互调小信号，使得微波部件的无源互调产物的计算结果更加精确，解决了微波部件无源互调缺乏数值分析手段的难题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，能够较准 确地数值分析微波部件无源互调产物，主要针对空间飞行器搭载的大功率微波部件，属于 空间特殊效应

技术介绍
无源互调效应是研究星载大功率微波系统时必须考虑的突出问题之一。随着现代 通信系统向大功率，宽带宽和高灵敏度方向发展，无源互调对系统性能的影响会越来越严 重，甚至可能使整个系统瘫痪。提出并实现有效的分析评价方法，可以快速并有效地对星载 微波系统的无源互调风险进行评估，找到有效控制和减少无源互调危害的方法和措施。 目前国内外尚无微波部件的无源互调数值分析方法。无源互调产物的预测方法主 要采用幂级数法、Volterra级数法和双指数模型结合遗传算法，这些方法需要试验测量拟 合确定传输函数，进而通过低阶P頂预测高阶PM。ESA曾对金属连接M頂结构产生的P頂 进行了研究，建立了外界压力与金属结表面接触面积之间的关系，运用幂级数法对三阶PM 分量随表面粗糙度、膜层厚度、外部压力以及输入功率的变化规律进行了预测。这类方法不 是由无源互调的产生物理过程出发，直接演化计算得到无源互调产物的方法，而是由测试 数据拟合得到低阶无源互调与高阶无源互调间的传递关系，利用低阶无源互调产物测试结 果间接获得高阶无源互调产物的方法，且不是数值分析方法。 九十年代后各国专家开始尝试用数值方法分析无源互调，先后提出了使用时域物 理光学法来分析无源互调产物的方案和解决星载反射面天线PM问题的方法，此后进一步 使用基因算法对分析方法进行优化，但该方法要求仿真激励源的电磁波波长必须远小于散 射体的尺寸（曲率半径），主要适用于反射面天线。【专利技术内容】 本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于时域有限差分 的微波部件无源互调数值分析方法，引入了考虑微波部件金属接触处的微观形貌和接触状 态的金属接触非线性模型，考虑金属接触非线性的微波部件输出端口的电场与磁场，再采 用时域有限差分法计算了不考虑金属接触非线性的微波部件输出端口的电场与磁场，将两 个信号进行时域对消，实现了微波部件无源互调的分析数值分析，降低了数值计算误差的 干扰，突出了无源互调小信号，使得微波部件的无源互调产物的计算结果更加精确，解决了 微波部件无源互调缺乏数值分析手段的难题。 本专利技术的技术解决方案是：一种基于时域有限差分的微波部件无源互调数值分析 方法，步骤如下： (1)设置波导型微波部件的材料参数、输入信号和微波部件金属接触处的接触压 强P，所述材料参数包括：微波部件传输媒质的介电常数e，微波部件传输媒质的磁导率y 和微波部件材料的电导率〇，所述输入信号为多载波信号；令微波部件中功率传输方向为 Z向，与z方向正交的平面为xoy面； (2)根据预设的空间网格剖分步长将微波部件剖分为空间网格单元，在每个空间 网格单元上求解时域线性微分形式的麦克斯韦方程组，得到各空间网格单元上的电场和磁 场； (3)利用步骤⑵中各空间网格单元上的电场得到微波部件金属接触处空间网格 单元上的电场，计算金属接触处空间网格上网格序号为（i，j，k)的网格单元电压Vl^jik; (4)在微波部件金属接触处的空间网格单元上引入金属接触非线性模型，利用步 骤⑶得到的金属接触处空间网格上网格序号为（i，j，k)的网格单元电压算微波 部件金属接触处空间网格单元上的非线性电流密度所述金属接触非线性模型为任意 金属接触处的非线性电流-电压关系，即Ji=f(V)，其中为金属接触处的非线性电流 密度，V为金属接触处空间网格单元电压； (5)利用步骤（4)中微波部件接触处的非线性电流密度计算微波部件金属接 触处空间网格单元上的非线性电流Ii; (6)利用步骤（4)中微波部件接触处的非线性电流密度1计算引入金属接触非 线性模型后，微波部件金属接触处空间网格单元上的磁场/7 : (7)利用步骤（5)计算的非线性电流U和步骤（6)计算的磁场#更新微波部件 金属接触处空间网格单元上的电场占： (8)令上一时刻电场值为已知量E。，所求下一时刻电场值为未知量设为X，则时域 有限差分迭代中要求解的非线性方程由公式： 给出； (9)利用牛顿迭代法求解步骤（8)中要求解的非线性方程，得到金属接触处空间 网格单元上下一时刻的电场值X，即微波部件金属接触处空间网格单元上的电场f,采用 时域有限差分算法迭代求解，得到空间网格单元上随时间变化的电场和磁场； (10)利用时域有限差分算法对没有引入金属接触非线性模型的微波部件进行电 磁计算，获得该微波部件输出端口的电场和磁场，并与步骤（9)中计算得到的微波部件输 出端口处的电场和磁场进行时域对消； (11)将步骤（10)得到的对消电磁场信号进行傅里叶变换，得到频谱展开，在每个 无源互调交调频点上，由对消后的电场和磁场根据坡印亭定理计算得到功率，即得到分布 在各交调频率点上微波部件的各阶无源互调产物； (12)利用步骤（11)中得到的分布在各交调频率点上微波部件的各阶无源互调产 物来评价所分析的微波部件是否满足无源互调设计要求。 所述步骤⑶中利用步骤⑵中各空间网格单元上的电场得到微波部件金属接触 处空间网格单元上的电场，计算金属接触处空间网格上网格序号为（i，j，k)的网格单元电 压V| ，具体由公式： 给出，其中Vl1,^为金属接触处空间网格上网格序号为（i，j，k)的网格单元电z方向上的网格单元尺寸。 所述微波部件为镀银表面。 所述镀银表面微波部件金属接触处空间网格单元上的非线性电流密度1由公 式：给出，其中，q为单位电荷量，kB为波尔兹曼常数，h为普朗克常量，e。为真空介电 常数，An为名义接触面积，T为场发射发生的温度，A= 4mhk^/h3,ai为与接触表面接触 面积相关的系数，为电子的有效质量，Ecix为相对介电常数，tj%氧化层厚度，炉O为势 皇高度。 所述步骤（5)中微波部件金属接触处空间网格单元上的非线性电流h具体由公 式： Inl= Jnl?Ax Ay 给出，所述电流方向沿Z向，Ax与Ay分别是X方向和y方向网格单元的边长； 所述步骤（6)中引入金属接触非线性模型后，微波部件金属接触处空间网格单元 上的磁场身由公式： 给出，其中，方为电通量密度，J= 。 所述步骤（7)中利用步骤（5)计算的非线性电流U和步骤（6)计算的磁场/7 € 新微波部件金属接触处空间网格单元上的电场具体由公式： 场，Ax与Ay分别是x方向和y方向网格单元的边长，At为差分时间间隔；e为微波部 件传输媒质的介电常数。 本专利技术与现有技术相比的有益效果是： (1)本专利技术针对大功率微波部件发生的无源互调问题，提出了采用时域有限差分 算法，结合金属接触非线性模型的微波部件无源互调数值分析方法，实现了微波当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时域有限差分的微波部件无源互调数值分析方法，其特征在于步骤如下：(1)设置波导型微波部件的材料参数、输入信号和微波部件金属接触处的接触压强P，所述材料参数包括：微波部件传输媒质的介电常数ε，微波部件传输媒质的磁导率μ和微波部件材料的电导率σ，所述输入信号为多载波信号；令微波部件中功率传输方向为z向，与z方向正交的平面为xoy面；(2)根据预设的空间网格剖分步长将微波部件剖分为空间网格单元，在每个空间网格单元上求解时域线性微分形式的麦克斯韦方程组，得到各空间网格单元上的电场和磁场；(3)利用步骤(2)中各空间网格单元上的电场得到微波部件金属接触处空间网格单元上的电场，计算金属接触处空间网格上网格序号为(i,j,k)的网格单元电压V|i,j,k；(4)在微波部件金属接触处的空间网格单元上引入金属接触非线性模型，利用步骤(3)得到的金属接触处空间网格上网格序号为(i,j,k)的网格单元电压V|i,j,k计算微波部件金属接触处空间网格单元上的非线性电流密度JNL；所述金属接触非线性模型为任意金属接触处的非线性电流‑电压关系，即JNL＝f(V)，其中JNL为金属接触处的非线性电流密度，V为金属接触处空间网格单元电压；(5)利用步骤(4)中微波部件接触处的非线性电流密度JNL计算微波部件金属接触处空间网格单元上的非线性电流INL；(6)利用步骤(4)中微波部件接触处的非线性电流密度JNL计算引入金属接触非线性模型后，微波部件金属接触处空间网格单元上的磁场(7)利用步骤(5)计算的非线性电流INL和步骤(6)计算的磁场更新微波部件金属接触处空间网格单元上的电场(8)令上一时刻电场值为已知量E0，所求下一时刻电场值为未知量设为x，则时域有限差分迭代中要求解的非线性方程由公式：f(x)=E0-x-Δtϵ0ΔxΔy×I[(x+E0)2Δz]]]>给出；(9)利用牛顿迭代法求解步骤(8)中要求解的非线性方程，得到金属接触处空间网格单元上下一时刻的电场值x，即微波部件金属接触处空间网格单元上的电场采用时域有限差分算法迭代求解，得到空间网格单元上随时间变化的电场和磁场；(10)利用时域有限差分算法对没有引入金属接触非线性模型的微波部件进行电磁计算，获得该微波部件输出端口的电场和磁场，并与步骤(9)中计算得到的微波部件输出端口处的电场和磁场进行时域对消；(11)将步骤(10)得到的对消电磁场信号进行傅里叶变换，得到频谱展开，在每个无源互调交调频点上，由对消后的电场和磁场根据坡印亭定理计算得到功率，即得到分布在各交调频率点上微波部件的各阶无源互调产物；(12)利用步骤(11)中得到的分布在各交调频率点上微波部件的各阶无源互调产物来评价所分析的微波部件是否满足无源互调设计要求。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑞，崔万照，白春江，王新波，李军，张娜，张剑锋，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61