【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电磁仿真的领域，具体涉及一种非线性元器件的三维电磁仿真方法、装置、设备及可读存储介质。
技术介绍
1、电磁场数值仿真计算，是指采用数值计算方法在频域或时域求解maxwell方程及其他衍生方程。随着计算机技术的飞速发展和电磁场计算方法的日趋成熟，电磁仿真具有越来越高的计算精度和运算速度，在产品研发过程中可以进行电磁性能设计，也可以代替某些实验，尤其是危险性实验和不易实现的复杂试验，因此被广泛应用于手机通讯、电磁兼容、医疗诊断或导航等领域。在军事方面，电磁仿真在雷达，天线罩，电磁对抗等领域也得到非常广泛的应用。电磁仿真现在已成为设备电磁特性分析与设计的现代化必要手段，具有巨大的实用价值。
2、电磁场数值计算方法有包括频域法与时域法。频域方法属于静态的单个频率计算方法，对于宽频带的电磁问题的数值分析时计算机的计算效率会比较低，特别是对于电容器和二极管等非线性器件，其器件参数随所加的电压发生变化，代表了电路的非线性响应特性。这种模型的非线性特性无法用频域方法解决的，必须用时域方法计算。
3、本领域中，时域有限差分法(finite difference time domain，fdtd)是目前常用的一种三维电磁场数值仿真方法，是基于麦克斯韦方程组的全波数值计算，该方法是由yee在1966年提出。该算法计算精度高，可以精确地模拟电磁场的行为和性能，包括电场、磁场等参数；适用范围广，用于各种类型的电磁场问题，包括高频电磁场、微波电磁场等；计算速度快，fdtd仿真算法是一种并行计算方法，可以利用计算机的多核
4、spice软件是电子元器件建模常用的选择，spice语言是一种描述电路的标准语言，可以描述电路中的元件、电路拓扑结构、电源等信息。spice仿真软件会将电路模型转化为数学方程组，并对其进行求解，获得电路中的电流、电压等物理量。这种仿真方法主要根据元件的集总参数对电路的物理量进行计算。
5、然而，fdtd算法是对“场”的分析，而spice仿真是对“路”的分析。由于spice软件主要适用于“路”的激励的计算，无法和场的计算更好融合在一起。
6、现有技术中，为了解决fdtd电磁仿真法中非线性元器件的嵌入问题，一般都采用基于dds(data distribution service，数据分发)的方法进行fdtd方法与spice软件联合仿真。dds是一种面向数据的中间件架构，用于实现分布式应用程序中的数据交换和通信，dds技术可以在不同的计算机系统之间实现实时数据交换，仿真过程中的每一个时间步内都要交换和传递数据，需要在每个时间步内读写仿真文件，这将使计算效率非常低下。
7、因而，需要一种建模仿真方法既可以提高仿真速度，又可以准确计算电路中的非线性器件响应特性。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术目的在于提供一种非线性元器件的三维电磁仿真方法，解决fdtd方法难以计算非线性元器件的三维电磁模型、从而导致dds仿真计算效率低的问题，实现了将非线性元器件与fdtd相结合的三维电磁仿真方法，提高了仿真的计算效率。
2、本专利技术提供一种非线性器件的三维电磁仿真方法，包括：
3、构建三维电磁仿真空间，对三维电磁仿真空间进行时域有限差分法fdtd的正交网格划分，形成若干元胞；
4、构建非线性器件模型，非线性器件模型包括相互并联的电阻模型和非线性电容模型；
5、模型嵌入，将非线性器件模型置入三维电磁仿真空间中任一元胞的棱边，形成集总模型，其中，电阻模型串联在棱边中，非线性电容模型并联在电阻模型的两端；
6、仿真计算，采用fdtd计算式，对三维电磁仿真空间进行仿真计算，获得非线性器件的非线性电流频谱特性。
7、优选的，仿真计算步骤中，进一步包括：
8、确定非线性器件所在位置的电场fdtd计算公式；
9、根据电场fdtd计算公式求解非线性器件所在位置的电场，求得时域非线性电流；
10、通过傅里叶变换得到时域非线性电流的频谱特性。
11、优选的，仿真计算步骤中，进一步包括：
12、基于磁场旋度方程，确定非线性器件所在位置的电场强度与时间步长的关系式；
13、确定非线性器件的总电流与电场强度的关系式；
14、联立上述关系式，获得非线性器件所在位置的电场fdtd计算公式。
15、优选的，非线性器件所在位置的电场强度与时间步长的关系式为其中，h表示磁场强度，e为电场强度，σ为电导率，δt为时间步长，ε0为真空中的介电常数，(i，j，k)为观察节点的坐标。
16、优选的，非线性器件的总电流与电场强度的关系式为其中，e为电场强度，c为非线性器件的电容，δt为时间步长，(i，j，k)为观察节点的坐标。
17、优选的，非线性元器件为非线性电容。
18、优选的，非线性器件模型采用克尔拉曼非线性模型。
19、优选的，非线性器件模型的表达式为其中，c1是线性电容，δc等于非线性电容部分，α是克尔非线性比例，χ3是非线性参数，δfr是拉曼非线性阻尼频率，fr是拉曼非线性共振频率。
20、本专利技术还提供一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，处理器执行计算机程序以实现前述的三维电磁仿真方法。
21、本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现前述的非线性器件的三维电磁仿真方法。
22、本专利技术还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现前述的非线性器件的三维电磁仿真方法。
23、本专利技术的有益效果是：实现了将非线性电容与fdtd相结合的三维电磁仿真方法，提高了dds仿真模型的计算效率。
24、本专利技术的三维电磁仿真方法，采用网格划分将fdtd的三维电磁模型划分为若干个单元体，通过集总元件模型表达非线性电容，并将集总元件模型和三维电磁模型相结合，解决现有技术中，fdtd方法难以计算非线性的三维电磁模型，dds仿真计算效率低的问题，实现了将非线性电容与fdtd相结合的三维电磁仿真方法，提高了dds仿真模型的计算效率。
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1.一种非线性器件的三维电磁仿真方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的三维电磁仿真方法，其特征在于，所述仿真计算步骤中，进一步包括：
3.根据权利要求2所述的三维电磁仿真方法，其特征在于，所述仿真计算步骤中，进一步包括：
4.根据权利要求3所述的三维电磁仿真方法，其特征在于，所述非线性器件所在位置的电场强度与时间步长的关系式为其中，H表示磁场强度，E为电场强度，σ为电导率，Δt为时间步长，ε0为真空中的介电常数，(i，j，k)为观察节点的坐标。
5.根据权利要求3所述的三维电磁仿真方法，其特征在于，所述非线性器件的总电流与所述电场强度的关系式为其中，E为电场强度，C为所述非线性器件的电容，Δt为时间步长，(i，j，k)为观察节点的坐标。
6.根据权利要求1所述的三维电磁仿真方法，其特征在于，所述非线性元器件为非线性电容。
7.根据权利要求6所述的三维电磁仿真方法，其特征在于，所述非线性器件模型采用克尔拉曼非线性模型。
8.根据权利要求7所述的三维电磁仿真方法，其特征在于，所述非线性器件
9.一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1-8所述的非线性器件的三维电磁仿真方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-8所述的非线性器件的三维电磁仿真方法。
11.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-8所述的非线性器件的三维电磁仿真方法。
...【技术特征摘要】
1.一种非线性器件的三维电磁仿真方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的三维电磁仿真方法，其特征在于，所述仿真计算步骤中，进一步包括：
3.根据权利要求2所述的三维电磁仿真方法，其特征在于，所述仿真计算步骤中，进一步包括：
4.根据权利要求3所述的三维电磁仿真方法，其特征在于，所述非线性器件所在位置的电场强度与时间步长的关系式为其中，h表示磁场强度，e为电场强度，σ为电导率，δt为时间步长，ε0为真空中的介电常数，(i，j，k)为观察节点的坐标。
5.根据权利要求3所述的三维电磁仿真方法，其特征在于，所述非线性器件的总电流与所述电场强度的关系式为其中，e为电场强度，c为所述非线性器件的电容，δt为时间步长，(i，j，k)为观察节点的坐标。
6.根据权利要求1所述的三维电磁仿真方法，其特征在于，所述非线性元器件为非线性电容。
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【专利技术属性】
技术研发人员：张德生，罗宇阳，张媛，吕炳均，欧阳毅，虞梦昕，徐金龙，
申请(专利权)人：上海烜翊科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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