【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数据监管领域，尤其涉及一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法及系统。
技术介绍
1、计算机辅助工程已经成为了诸如传输线，微带线和光通道波导、光纤等微波和光波导结构设计中必不可少的一环。准确分析波导的电磁特性，需要求解由频域麦克斯韦方程组得到的二阶齐次波动方程构成的本征值问题，从而得到波导的本征值(传播常数)和本征模式。而在均匀介质材料或者部分填充的金属波导的本征值问题中，本征模式往往被分解为横向电场和磁场本征模式的线性组合。随着集成电路和集成光路的发展，受益于其平面分层特性，同时使用金属和介质作为导行核心的波导系统得到了广泛的应用。这种复杂波导系统的设计往往要求电磁场的本征问题求解中能够有效处理边界条件的任意性，材料的各向异性和非均匀性，此时本征模式不再能够被看成横向电场和磁场本征模式的线性组合。波导系统日趋复杂的材料特性和几何形状对运用计算机进行准确快速的数值分析提出了重大的挑战。为了应对这些问题，若干适于编程的数值分析方法近年来逐渐普及。在这些方法中，因直接离散求解频域二阶波动方程的独特优势，有限元法被认为是最行之有效的一种。
2、在矢量有限元法中，连续的电磁场被有限的矢量基函数离散表征。从麦克斯韦方程组得到的电场二阶波动方程，使用有限元法离散得到表征大规模线性方程组问题的系统矩阵和右端项。通过将任意形状波导结构的横截面离散成许多三角形面元，并结合变分分析，矢量有限元法可用于计算波导结构的电磁场本征值问题，从而分析系统的传播特性。在这类本征值问题中，矢量基函数由于确保了电磁场的切向连续性，有效
3、由于在各向异性和非均匀性材料的波导系统中，本征模式不再是横向电磁场模式的简单线性组合，需要运用有限元法对麦克斯韦方程进行完整的系统分析。若干种不同的建模分析方式陆续被提出，然而其应用都有不同程度的应用局限，诸如无法建模法向分量，模式正交性不好，本征值及其平方同时在方程种出现，低频稳定性较差。
技术实现思路
1、鉴于上述问题，提出了本专利技术以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法及系统。
2、根据本专利技术的一个方面，提供了一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，所述确定方法包括：
3、步骤s1：对波导结构横截面用三角形面元进行三角形面元网格剖分；
4、步骤s2：循环遍历所述三角形面元，分别建立切向插值矢量基函数和标量基函数；
5、步骤s3：构建基于矢量势和标量势的电场和磁场有限元方程的本征值问题；
6、步骤s4：求解所述本征值问题得到特征值和特征向量；
7、步骤s5：对所述本征值问题选择特征值及对应的特征向量来构建波导结构截面的场分布。
8、可选的，所述步骤s5：对所述本征值问题选择合理的特征值及对应的特征向量来构建波导结构截面的场分布还包括：
9、如果同一个特征值对应多重特征向量；
10、对所述特征值进行正交化处理。
11、可选的，所述步骤s2：循环遍历所述三角形面元，分别建立切向插值矢量基函数和标量基函数具体包括：
12、循环遍历所述三角形面元，对每一个面元节点，循环遍历所有相连的非狄利克雷边界的边和顶点，分别建立切向插值矢量基函数和标量基函数。
13、可选的，所述波导结构横截面的二维平面问题，其电场的分布服从齐次helmholtz方程，具体如下公式(1)：
14、
15、其中，e是未知电场，k0是电磁波的未知传播常数。εr是介质的相对介电常数，μr是介质的相对磁导率。
16、可选的，所述波导结构横截面的边界值问题的求解区域ω的表面是外边界，指定为人工边界条件，人工边界条件是第三类边界条件，如一阶辐射边界条件如下公式(2)：
17、
18、其中j是虚数单位，e是空间电场，k0是电磁波的未知传播常数，εr是介质的相对介电常数，μr是介质的相对磁导率，是边界的单位法向量。
19、边界是理想导体和有限电导率的导体边界。
20、可选的，所述理想导体的导体边界条件为第一类边界条件，电场在边界表面切向分量为0，
21、
22、是边界的单位法向量。
23、有限电导率的导体边界是第三类边界条件，用阻抗边界条件描述：
24、
25、j是虚数单位，e是空间电场，k0是电磁波的未知传播常数，εr是介质的相对介电常数，μr是介质的相对磁导率，是边界的单位法向量，σ是金属电导率，z0是真空中的波阻抗。
26、可选的，所述步骤s1：对波导结构横截面用三角形面元进行三角形面元网格剖分具体包括：
27、对待求的电场分布的区域ω使用三角形面元四面体进行体网格剖分；
28、区域ω成为所有三角形四面体单元的集合，选择一组已知的分域基函数
29、可选的，所述分域基函数中，每一个基函数定义域都局限在总区域ω的某个子域中，则待求的未知电场则由已知的基函数和未知的系数xi的乘积的总和来表示，
30、可选的，所述电场为当波导系统传播方向为z轴时。此处是横截面电场矢量，是z方向单位向量，ez是z向电场的标量值。
31、本专利技术还提供了一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定系统，应用上述所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，所述确定方法包括：
32、网格剖分模块，用于对波导结构横截面用三角形面元进行三角形面元网格剖分；
33、函数建立模块，用于循环遍历所述三角形面元，分别建立切向插值矢量基函数和标量基函数；
34、本征值构建模块，用于构建基于矢量势和标量势的电场和磁场有限元方程的本征值问题；
35、本征值问题求解模块，用于求解所述本征值问题得到特征值和特征向量；
36、波导结构截面构建模块，用于对所述本征值问题选择特征值及对应的特征向量来构建波导结构截面的场分布。
37、本专利技术提供的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法及系统，所述确定方法包括：步骤s1：对波导结构横截面用三角形面元进行三角形面元网格剖分；步骤s2：循环遍历所述三角形面元，分别建立切向插值矢量基函数和标量基函数；步骤s3：构建基于矢量势和标量势的电场和磁场有限元方程的本征值问题；步骤s4：求解所述本征值问题得到特征值和特征向量；步骤s5：对所述本征值问题选择特征值及对应的特征向量来构建波导结构截面的场分布。提供一种电磁场有限元求解器波导结构横截面电磁场分布确定刚度矩阵零空间的方法，准确获得波导结构横截面上电磁场横向和纵向的分布，且具有较好的低频稳定性。
38、上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述确定方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述步骤S5：对所述本征值问题选择合理的特征值及对应的特征向量来构建波导结构截面的场分布还包括：
3.根据权利要求1所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述步骤S2：循环遍历所述三角形面元，分别建立切向插值矢量基函数和标量基函数具体包括：
4.根据权利要求1所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述波导结构横截面的二维平面问题，其电场的分布服从齐次Helmholtz方程，具体如下公式(1)：
5.根据权利要求1所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述波导结构横截面的边界值问题的求解区域Ω的表面是外边界，指定为人工边界条件，人工边界条件是第三类边界条件，如一阶辐射边界条件如下公式(2)：
6.根据权利要求1所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述理想导体
7.根据权利要求1所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述步骤S1：对波导结构横截面用三角形面元进行三角形面元网格剖分具体包括：
8.根据权利要求7所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述分域基函数中，每一个基函数定义域都局限在总区域Ω的某个子域中，则待求的未知电场则由已知的基函数和未知的系数xi的乘积的总和来表示，
9.根据权利要求1所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述电场为当波导系统传播方向为z轴时；其中，是横截面电场矢量，是z方向单位向量，Ez是z向电场的标量值。
10.一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定系统，应用上述权利要求1-9任一项所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述确定方法包括：
...【技术特征摘要】
1.一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述确定方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述步骤s5：对所述本征值问题选择合理的特征值及对应的特征向量来构建波导结构截面的场分布还包括：
3.根据权利要求1所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述步骤s2：循环遍历所述三角形面元，分别建立切向插值矢量基函数和标量基函数具体包括：
4.根据权利要求1所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述波导结构横截面的二维平面问题，其电场的分布服从齐次helmholtz方程，具体如下公式(1)：
5.根据权利要求1所述的一种非均匀介质波导横截面电磁场分布的确定方法，其特征在于，所述波导结构横截面的边界值问题的求解区域ω的表面是外边界，指定为人工边界条件，人工边界条件是第三类边界条件，如一阶辐射边界条件如下公式(2)：
6.根据权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：蒋历国，代文亮，李杰霖，刘萍，温继敏，
申请(专利权)人：芯和半导体科技上海股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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