可去除伪直流模式的微波管高频电路有限元仿真方法技术

技术编号:4086417 阅读:220 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术涉及可以去除伪直流模式的微波管高频电路有限元仿真方法,包括以下步骤:A.根据微波管高频电路内的电磁场边值问题,将电位移矢量为零作为电场约束方程,并得到电场约束方程的积分形式,同时通过有限元法的标准变分原理得到电磁场边值问题的泛函方程。B.采用四面体网格剖分求解域,考虑准周期边界条件时,必须保证周期边界上主面上的网格和从面上的网格匹配。本发明专利技术的有益效果:利用该有限元仿真方法可以极大地提高微波管高频系统仿真的精度,效率和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于三维电磁场数值求解技术,具体涉及一种可以去除伪直流模式的微波 管高频电路有限元仿真方法。
技术介绍
作为重要的军事与民用电子器件,微波管是雷达及通信系统设备中“心脏”的扮演 者,并广泛应用于高功率厘米波和毫米波雷达、卫星广播、军用电子通信、电子对抗、等离子 体诊断、工业加热等领域。在高功率雷达、电子对抗设备和大功率通信系统中,微波管器件 具有无可替代的作用。在制管前,对微波管的部件以及整管进行计算机辅助设计与分析,对缩短开发周 期、减少整管硬件实验、改善微波管性能及固化已有经验等方面起到非常重要的作用。微波 管高频电路是微波管的重要部件,它是电子注与高频场相互作用进行能量交换以实现微波 振荡或放大的场所。微波管高频电路的特性将直接影响微波管的工作频率、频带宽度、换能 效率和输出功率,以及其他一系列整管性能。通过对微波管高频电路进行数值仿真从而高 精度地获得微波管高频电路的高频特性参量,有着极其重要的意义,其精度的高低直接影 响到后续微波管大信号分析的准确性与可靠性。由于微波管高频电路复杂的几何结构,应用数值算法仿真微波管高频电路高频特 性参量成为一种非常简便并且有效的研究手段。其中,矢量有限元法凭借其善于模拟任意 几何模型以及处理各种复杂介质而成为微波管高频电路数值仿真中的一种精确、高效的数 值算法。矢量有限元法仿真微波管高频电路可以成功去除传统的节点有限元带来的伪解, 同时引入了大量的频率为零的伪直流模式,并且随着有限元网格的加密,伪直流模式的数 量会迅速增加。产生这些伪直流模式的原因是在矢量有限元法仿真过程的边值问题中未加 入电场约束方程。在微波管高频电路的数值仿真中,主要是为了获得频率低端的一个或者 数个非零本征模式。这些伪直流模式的存在增加了计算微波管高频电路低端的非零本征模 式的困难,更重要是直接导致了最后的有限元矩阵为严重病态矩阵。如何去除这些伪直流 模式,快速、高效地获得低端的本征模式,对提高微波管高频电路电磁场仿真分析的精度、 效率以及鲁棒性有着极其重要的意义。目前,一种可以去除伪直流模式的微波管高频电路电磁场有限元仿真方案是在有 限元仿真过程中,应用位移求逆隐式重启Arnoldi迭代法结合快速多波前三角矩阵分解 (LU分解)求解矢量有限元法得到的广义本征矩阵方程。在该方案中,采用位移求逆技术 的目的是通过频谱转换,求解出某一个预估本征值附近的本征值,从而避免求解出没有物 理意义的伪直流模式。这种技术在本质上并没有将伪直流模式从频谱中去除,而是通过数 学上的频谱变换,避免了伪直流式对所需本征模式求解造成的干扰。应用位移求逆隐式重 启Arnoldi迭代法可以避免伪直流模式,但在每一迭代的过程中需要求解一个大型稀疏病 态矩阵的确定性问题。迭代法求解大型稀疏病态矩阵的确定性问题是很难收敛的。快速多 波前三角矩阵分解(LU分解)可以求解出这个大型稀疏病态矩阵的确定性问题,但是随着矩阵维数增大,快速多波前三角矩阵分解(LU分解)法消耗的时间和内存迅速增大。因此 该方案有以下缺陷1)本质上没有去除微波管有限元仿真中的伪直流模式;2)受有限元矩 阵维数的限制,对几何结构复杂的大尺寸的微波管高频电路无法高效仿真。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了进一步提高微波管高频电路电磁场仿真分析的效率和精度, 提出。为了实现上述目的,本专利技术的技术方案是可去除伪直流模式的微波管高频电路 有限元仿真方法,包括以下步骤A.根据微波管高频电路内的电磁场边值问题,将电位移矢量为零作为电场约束方 程,并得到电场约束方程的积分形式,同时通过有限元法的标准变分原理得到电磁场边值 问题的泛函方程。B.采用四面体网格剖分求解域,考虑准周期边界条件时,必须保证周期边界上主 面上的网格和从面上的网格匹配。C.选择二阶矢量叠层基函数,结合边界条件对有限元网格进行树-共轭树分离, 对树边上的二阶矢量叠层基函数的低阶部分用相应的自由点基函数代替。 D.将步骤A中得到的电磁场边值问题的泛函方程中的电场用步骤C中的二阶矢量 叠层基函数展开后,运用里兹方法得到广义本征矩阵方程;将电场约束方程的积分形式中 的电场用步骤C中的二阶矢量叠层基函数展开得到电场约束方程的矩阵形式。E.应用位移求逆隐式重启Arnoldi迭代法求解广义本征矩阵方程,并在每一步的 Arnoldi迭代中,将生成里兹向量的工作向量中对应于无旋场基函数的部分重置为零,以去 除伪直流模式。F.进行微波管高频电路有限元仿真的后处理,由步骤E所得的本征值和本征向 量,求出相对应的本征频率和电场分布,进而求出各种需要的微波管高频电路的高频特性参量。本专利技术的有益效果利用本专利技术提出的有限元仿真方法可以高效地将微波管高频 电路有限元仿真中的伪直流模式完全去除。该方法通过选择二阶矢量叠层基函数和对有限 元网格进行树-共轭树分离,方便地将电场约束方程施加到微波管高频电路有限元仿真的 边值问题中,从而将伪直流模式去除。该方法去除伪直流模式的数值实现仅仅需要在每一 步Arnoldi迭代中,将生成里兹向量的工作向量对应于无旋场基函数部分重置为零,而将 生成里兹向量的工作向量对应于有旋场基函数部分保持不变。利用该有限元仿真方法可以 极大地提高微波管高频系统仿真的精度,效率和鲁棒性。设计师利用该有限元仿真方法可 以快速高效地对各种微波管高频电路进行超宽带参数化扫描以及自动优化设计。附图说明图1是本专利技术的主流程图。图2是本专利技术求解域的空间示意图。图3是本专利技术进行主面有限元网格树-共轭树分离过程示意图。图4是本专利技术进行从面有限元网格树_共轭树分离过程示意图。图5是本专利技术进行树_共轭树分离后一个四面体单元的基函数分配示意图。 具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示,一种可以去除伪直流模式的微波管高频电路有限元仿真方法,包括 以下步骤A.根据微波管高频电路内的电磁场边值问题,将电位移矢量为零作为电场约束方 程,并得到电场约束方程的积分形式,同时通过有限元法的标准变分原理得到电磁场边值 问题的泛函方程。微波管高频电路内的电磁场边值问题的函数表达如公式(1. 1),电场约束方程的 函数表达如公式(1. 2)本文档来自技高网
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【技术保护点】
可去除伪直流模式的微波管高频电路有限元仿真方法,包括以下步骤:A.根据微波管高频电路内的电磁场边值问题,将电位移矢量为零作为电场约束方程,并得到电场约束方程的积分形式,同时通过有限元法的标准变分原理得到电磁场边值问题的泛函方程;B.采用四面体网格剖分求解域,考虑准周期边界条件时,必须保证周期边界上主面上的网格和从面上的网格匹配;C.选择二阶矢量叠层基函数,结合边界条件对有限元网格进行树一共轭树分离,对树边上的二阶矢量叠层基函数的低阶部分用相应的自由点基函数代替;D.将步骤A中得到的电磁场边值问题的泛函方程中的电场用步骤C中的二阶矢量叠层基函数展开后,运用里兹方法得到广义本征矩阵方程;将电场约束方程的积分形式中的电场用步骤C中的二阶矢量叠层基函数展开得到电场约束方程的矩阵形式;E.应用位移求逆隐式重启Arnoldi迭代法求解广义本征矩阵方程,并在每一步的Arnoldi迭代中,将生成里兹向量的工作向量中对应于无旋场基函数的部分重置为零,以去除伪直流模式;F.进行微波管高频电路有限元仿真的后处理,由步骤E所得的本征值和本征向量,可以求出相对应的本征频率和电场分布,进而求出各种需要的微波管高频电路的高频特性参量。...

【技术特征摘要】
可去除伪直流模式的微波管高频电路有限元仿真方法,包括以下步骤A.根据微波管高频电路内的电磁场边值问题,将电位移矢量为零作为电场约束方程,并得到电场约束方程的积分形式,同时通过有限元法的标准变分原理得到电磁场边值问题的泛函方程;B.采用四面体网格剖分求解域,考虑准周期边界条件时,必须保证周期边界上主面上的网格和从面上的网格匹配;C.选择二阶矢量叠层基函数,结合边界条件对有限元网格进行树一共轭树分离,对树边上的二阶矢量叠层基函数的低阶部分用相应的自由点基函数代替;D.将步骤A中得到的电磁场边值问题的泛函方程中的电场用步骤C中的二阶矢量叠层基函数展开后,运用里兹方法得到广义本征矩阵方程;将电场约束方程的积分形式中的电场用步骤C中的二阶矢量叠层基函数展开得到电场约束方程的矩阵形式;E.应用位移求逆隐式重启Arno...

【专利技术属性】
技术研发人员:徐立李斌杨中海朱小芳叶珍李建清
申请(专利权)人:电子科技大学
类型:发明
国别省市:90[中国|成都]

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