一种涉及磁边界的四分量波导端口特性求解方法技术
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于计算电磁学，具体为一种涉及磁边界的四分量波导端口特性求解方法，在采用频域有限差分（fdfd）方法求解波导端口特性时，应用于紧凑格式二维四分量方法的理想磁边界条件的实现方式。
技术介绍
1、微波真空电子器件，简称电真空器件，是一种利用电子在真空或等离子体中的运动，将电子携带的直流电能转换成微波能量，从而实现微波放大的装置。该器件广泛应用于雷达、电子对抗、卫星通信和导航、精密制导系统以及微波定向能武器等领域，被视为现代国防电子装备的“心脏”。随着现代军事技术和国防电子装备的发展，对电真空器件的频率、带宽、增益、功率以及效率等主要性能指标提出了更高的要求，同时也推动了各类新型电真空器件的研发。新型电真空器件的结构相对于传统器件更为复杂，负责能量输入输出的波导端口结构也变得日益复杂。因此，在器件仿真设计中，准确求解复杂波导端口特性成为需要解决的重要问题之一。
2、对于复杂的波导端口，无法用解析公式直接计算得到其端口特性，因此通常使用fdfd方法来数值求解。传统的fdfd方法需要使用所有六个场分量来产生本征方程，为了减少生成的系数矩阵的规模，通过代入消去纵向场分量可以得到只涉及四个横向场分量的紧凑格式二维fdfd方法。相比于传统的六分量方法，紧凑格式二维四分量方法显著减少了计算量，具有更高的计算效率。此外，与传统的阶梯近似均匀网格相比，使用共形网格和非均匀网格可以有效减少网格数目，降低仿真模拟的计算成本。
3、在fdfd数值模拟中，需要设置适当的边界条件来截断有限的计算区域，常见因此，在器件仿真设计中
4、对于复杂的波导端口，无法用解析公式直接计算得到其的边界条件包括理想电边界和理想磁边界。比如：在微波传输线的模拟中，通常将金属接地底板设置为理想电边界而空气盒设置为理想磁边界，用以模拟无限半空间中电磁分布特性；可以通过设置特定组合的理想电边界和理想磁边界，实现对tem波的模拟，用以产生平面波激励；对于具有对称性的波导结构，在求解其端口本征模式时，可以通过设置合适的对称边界（电壁或磁壁）来减小计算区域，进一步提高计算效率。
5、在紧凑格式二维四分量fdfd方法中，由于电磁场纵向分量被消去，纵向分量 e z和 h z的边界条件无法直接强加，必须通过间接方式反映导体表面的边界条件。对于理想电边界，电场分量位于网格单元的棱边上，可以将与边界相切的纵向电场分量 e z=0代入四分量方法的推导过程中，在横向场分量的最终表达式中隐含理想电边界条件。然而，在紧凑格式的二维yee网格中，磁场分量存在半网格偏移，并没有与边界严格相切，因此纵向磁场分量 h z无法直接在二维四分量fdfd方法中准确施加理想磁边界条件。
技术实现思路
1、针对上述存在的问题或不足，为解决紧凑格式二维四分量fdfd方法中理想磁边界难以准确施加的问题，本专利技术提供了一种涉及磁边界的四分量波导端口特性求解方法，采用紧凑格式的二维yee网格，网格和电磁场量的排布方式（如图1所示），考虑了共形和非均匀的情形。
2、一种涉及磁边界的四分量波导端口特性求解方法，具体包括以下步骤：
3、步骤1、前处理：对一个给定的波导端口特性求解问题，通过设置条件参数，并对其进行建模离散化，以将特性求解问题转化为具体的数值计算问题。具体如下：
4、首先，建立波导端口结构的几何模型并指定材料属性；然后进行参数设置，包括仿真求解频率、边界条件和对称面设置；接着对计算区域进行离散化网格剖分得到用于计算的网格数据和等效的材料属性。最后，读取仿真设置参数和数据文件，获取波导端口平面的网格和材料属性，分配计算所需的内存空间，包括网格数据、材料数据、电磁场结果数据以及本征值问题的系数矩阵存储。
5、其中，对于波导端口的对称面设置：若设置电壁对称边界则对称面处网格点按理想电边界方式处理；若设置磁壁对称边界则对称面处网格点按理想磁边界方式处理，并将计算区域以对称面为界，取对称面至坐标轴正方向部分，将计算区域减小为原来的一半。
6、步骤2、电磁方程的离散：利用步骤1中的离散化网格剖分，将连续域上的问题转化为可以数值求解的离散空间上的问题。
7、为了考虑共形和非均匀网格的情形，从积分形式的频域麦克斯韦方程出发，结合安培定律和法拉第定律，采用轮廓积分方法对电磁方程进行差分离散化。其中，电场方程采用常规方法离散，磁场的差分离散化方程写成如下的分量形式：
8、 (1)
9、 （2）
10、 （3）
11、其中， β为波导端口模式的传播常数，( i, j)为网格索引， e为电场， h为磁场， e x、 e y、 e z、 h x、 h y、 h z为电磁场沿直角坐标系坐标轴 x、 y、 z方向的场分量，约定沿 x和 y方向为横向，沿 z方向为纵向， l x和 l y分别表示 x和 y方向的网格边长， a z表示垂直于 z方向的网格面积， k0为波数， ε rd（ d=x/y/z）为各向异性的相对介电常数。
12、 h x( i)和 h y( j)分别表示 x方向网格索引为 i和 y方向本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种涉及磁边界的四分量波导端口特性求解方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述涉及磁边界的四分量波导端口特性求解方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
3.如权利要求1所述涉及磁边界的四分量波导端口特性求解方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
4.如权利要求1所述涉及磁边界的四分量波导端口特性求解方法，其特征在于，所述步骤5具体为：
【技术特征摘要】
1.一种涉及磁边界的四分量波导端口特性求解方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述涉及磁边界的四分量波导端口特性求解方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
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0来自[荷兰] 2024年02月08日 17:28e