基于空间映射技术的高效场路协同仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于空间映射技术的高效场路协同仿真方法，提出了基于空间映射算法对能量选择表面的分析，该方法主要是引入了粗模型与细模型，在求解过程中利用计算效率高的粗模型进行求解，在求解完成后利用计算效率低的细模型进行验证。在本发明专利技术中，粗模型即等效电路模型，细模型即真实物理模型，结果表明该方法不仅能够保持较高的精确度，而且还具有显著的加速效果。著的加速效果。著的加速效果。

【技术实现步骤摘要】
基于空间映射技术的高效场路协同仿真方法


[0001]本专利技术属于电路与电磁场耦合问题的高效分析领域，特别是一种针对非线性电路与电磁场耦合问题设计的数值分析方法，尤其是一种基于空间映射技术的高效场路协同仿真方法。

技术介绍

[0002]空间映射算法是由加拿大学者Bandler.J.W和Biernacki.R.M在1994年提出的一种优化算法。该算法涉及粗模型和细模型，核心思想是：假定粗模型与细模型之间存在某种映射关系，利用这种映射关系，把对复杂、耗时的细模型的优化转变成对简单、快速的粗模型的优化，从而达到高效的优化目的。常见的空间映射算法有：原始空间映射算法(OSM)、渐进空间映射算法(ASM)、置信区间渐进映射算法(TRASM)等。
[0003]利用OSM进行优化时需要提供多个精确的仿真响应，为参数提取提供样本空间，非常耗时，而且OSM假定粗模型与细模型之间的空间映射关系式线性的，局限性很大；为了避免这一问题，研究者们提出了ASM，ASM前期不需要进行多次细模型的仿真为参数提取提供样本空间，并且粗细模型之间的映射关系不仅仅局限于线性，也能够解决非线性的优化问题；但由于ASM参数提取的不唯一性，算法有时会出现不收敛的情况，故研究者们对ASM加以修正，提出了TRASM，TRASM收敛性比ASM要好，但判断收敛性过程繁琐、耗时。
[0004]目前，在分析二极管真实物理模型与电磁场协同仿真时，专家学者们采用的是直接求解二极管真实物理模型即漂移扩散方程组，并将电流密度求解结果带入场路耦合非线性方程组进行再次求解。首先，漂移扩散方程组是非线性方程组，采用的是牛顿迭代方法；其次场路耦合方程组也是非线性方程组，采用的也是牛顿迭代方法；这样在计算过程中呈现的是牛顿迭代循环嵌套另一个牛顿迭代循环，计算非常耗时。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种基于空间映射技术的高效场路协同仿真方法。针对在高功率电磁脉冲环境中能量选择表面的数值分析，该方法能快速而准确的得到空间电磁场分布和能量选择表面加载的PIN管的运输特性。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于空间映射技术的高效场路协同仿真方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]步骤1，建立空间电磁场仿真模型和非线性电路PIN管模型，并采用四面体和六面体混合对两者模型进行网格离散，得到模型的结构信息，包括四面体、六面体的单元信息以及节点信息；
[0008]步骤2，将粗模型的伏安特性方程代入场路耦合方程组，考虑空间电磁场的影响，求解得到端口处的电场、磁场、电压、电流密度四个变量的值，并将四个变量的值作为细模型的设计值，判断细模型的设计值是否满足场路耦合方程组，若满足，转至步骤4，否则执行下一步；
[0009]步骤3，利用粗模型对细模型的响应进行参数提取，并更新粗模型与细模型的映射矩阵、计算空间映射算法的残余向量、细模型设计值的增量步长，求解得到新的细模型的设计值，再判断细模型的设计值是否满足场路耦合方程组，若不满足，重复步骤3，否则执行下一步；
[0010]步骤4，将细模型设计值中的电压信息传递给PIN管，求解得到此时刻的半导体输运特性；
[0011]步骤5，考虑端口处的电场、磁场对空间电磁场的影响，求解空间电磁场方程组，由此分析能量选择表面的插入损耗和屏蔽效能。
[0012]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)DG
‑
FETD采用四六面体混合剖分，建模灵活，剖分方便，能够更加准确而高效的拟合不规则模型，形成的质量矩阵为块对角矩阵，易求逆矩阵，极大的节省了计算时间；2)能量选择表面加载的是PIN管真实物理模型，能够更加的贴近实际情况，为工程提供理论指导；3)对于加载半导体器件真实物理模型的能量选择表面分析效率低的问题，本专利技术采用了空间映射技术对其加速，大大提高了算法效率；4)提出了利用空间映射算法在计算过程中引入计算效率高的粗模型替代计算效率低的细模型，在牛顿迭代收敛之后进行细模型验证即可，这样可以节省大量的计算时间，提高计算效率。
[0013]下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。
附图说明
[0014]图1为基于空间映射技术的高效场路协同仿真方法的流程图。
[0015]图2为一个实施例中能量选择表面的俯视图，其中图(a)是周期结构能量选择表面示意图，图(b)是周期结构中单个单元示意图。
[0016]图3为一个实施例中PIN管的示意图。
[0017]图4为一个实施例中计算用的入射平面波示意图。
[0018]图5为一个实施例中计算得到的端口面两端电压示意图。
[0019]图6为一个实施例中计算得到的空间透射电场分布图。
具体实施方式
[0020]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0021]在一个实施例中，结合图1，提供了一种基于空间映射技术的高效场路协同仿真方法，所述方法包括以下步骤：
[0022]步骤1，建立空间电磁场仿真模型和非线性电路PIN管模型，并采用四面体和六面体混合对两者模型进行网格离散，得到模型的结构信息，包括四面体、六面体的单元信息以及节点信息；
[0023]步骤2，将粗模型的伏安特性方程代入场路耦合方程组，考虑空间电磁场的影响，求解得到端口处的电场、磁场、电压、电流密度四个变量的值，并将四个变量的值作为细模型的设计值，判断细模型的设计值是否满足场路耦合方程组，若满足，转至步骤4，否则执行
下一步；
[0024]步骤3，利用粗模型对细模型的响应进行参数提取，并更新粗模型与细模型的映射矩阵、计算空间映射算法的残余向量、细模型设计值的增量步长，求解得到新的细模型的设计值，再判断细模型的设计值是否满足场路耦合方程组，若不满足，重复步骤3，否则执行下一步；
[0025]步骤4，将细模型设计值中的电压信息传递给PIN管，求解得到此时刻的半导体输运特性；
[0026]步骤5，考虑端口处的电场、磁场对空间电磁场的影响，求解空间电磁场方程组，由此分析能量选择表面的插入损耗和屏蔽效能。
[0027]进一步地，在其中一个实施例中，步骤2中所述粗模型采用的是半导体器件等效电路模型，其伏安特性方程为：
[0028][0029]式中，I0表示二极管反向饱和电流，q表示单位电荷电量，k
b
表示玻尔兹曼常数，T表示温度，V
D
表示端口处为电路提供的电压；
[0030]所述细模型采用的是半导体器件真实物理模型，其伏安特性方程为：
[0031][0032]式中，n、p、分别表示的是电子浓度、空穴浓度和电势，D
n
、D
p
分别表示的是电子和空穴的扩散系数，μ
n
、μ
p
分别表示的是电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空间映射技术的高效场路协同仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，建立空间电磁场仿真模型和非线性电路PIN管模型，并采用四面体和六面体混合对两者模型进行网格离散，得到模型的结构信息，包括四面体、六面体的单元信息以及节点信息；步骤2，将粗模型的伏安特性方程代入场路耦合方程组，考虑空间电磁场的影响，求解得到端口处的电场、磁场、电压、电流密度四个变量的值，并将四个变量的值作为细模型的设计值，判断细模型的设计值是否满足场路耦合方程组，若满足，转至步骤4，否则执行下一步；步骤3，利用粗模型对细模型的响应进行参数提取，并更新粗模型与细模型的映射矩阵、计算空间映射算法的残余向量、细模型设计值的增量步长，求解得到新的细模型的设计值，再判断细模型的设计值是否满足场路耦合方程组，若不满足，重复步骤3，否则执行下一步；步骤4，将细模型设计值中的电压信息传递给PIN管，求解得到此时刻的半导体输运特性；步骤5，考虑端口处的电场、磁场对空间电磁场的影响，求解空间电磁场方程组，由此分析能量选择表面的插入损耗和屏蔽效能。2.根据权利要求1所述的基于空间映射技术的高效场路协同仿真方法，其特征在于，步骤2中所述粗模型采用的是半导体器件等效电路模型，其伏安特性方程为：式中，I0表示二极管反向饱和电流，q表示单位电荷电量，k
b
表示玻尔兹曼常数，T表示温度，V
D
表示端口处为电路提供的电压；所述细模型采用的是半导体器件真实物理模型，其伏安特性方程为：式中，n、p、分别表示电子浓度、空穴浓度和电势，D
n
、D
p
分别表示电子和空穴的扩散系数，μ
n
、μ
p
分别表示电子和空穴的迁移率，E表示由于电势差形成的电场，J
n
、J
n
分别表示电子和空穴的扩散电流密度，J表示总电流密度即位移电流与扩散电流密度之和。3.根据权利要求2所述的基于空间映射技术的高效场路协同仿真方法，其特征在于，步骤2中所述将粗模型的伏安特性方程代入场路耦合方程组，考虑空间电磁场的影响，求解得到端口处的电场、磁场、电压、电流密度四个变量的值，具体包括：所述场路耦合方程组为：
式中，ε表示介电常数；μ表示磁导率；P
1e
表示端口处电场；P
1h
表示端口处磁场；c0表示真空中的光速；为波矢量，其中e
x
、e
y
分别表示X轴与Y轴的单位向量，θ
i
表示入射波与Z轴正向夹角，θ
i
∈[0,π]，表示入射波与X轴正向夹角，θ
i
∈[0,2π]；表示电流密度大小；V
D
表示端口处为电路提供的电压；l表示端口面的电压积分线；步骤2
‑
1，对场路耦合方程组进行伽辽金法测试、未知量展开、矢量恒等变换；步骤2
‑
2，将下式所示的场路耦合的数值通量代入步骤2
‑
1的结果中，式中，e
n
表示面的单位外法向向量；表示本征阻抗；Y＝1/Z表示本征导纳；P
e
、P
h
分别表示电场与磁场；右上角带有“+”标志表示相邻体的相关信息，没有标志表示本体的相关信息；J表示电流密度；并令得到紧凑型格式的场路耦合方程组，如下式矩阵方程：其中，矩阵元素为：其中，矩阵元素为：
式中，分别表示电场的测试基函数与展开基函数；分别表示磁场的测试基函数与展开基函数；l
J
表示电流密度方向；e
l
表示电场积分方向；步骤2
‑
3，利用牛顿迭代方法求解上式(1.8)，形成DGTD半离散形式：式中，考虑了空间电磁场对场路耦合区域的影响即等式右边第一项，分别表示空间电场与磁场；步骤2
‑
4，将所述DGTD半离散形式简写为：
式中，u为待求解的未知量；步骤2
‑
5，将待求解的未知量u用泰勒级数展开，展开结果如下：式中，n为泰勒展开的阶数，也为ADER的阶数；由此获得具有n阶ADER方案的DG
‑
FETD公式，简写为：步骤2

【专利技术属性】
技术研发人员：包华广，陈如山，丁大志，樊振宏，徐祖银，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：