【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属腔体谐振特性数值分析，具体涉及一种基于sie的开孔金属腔谐振特性分析方法。
技术介绍
1、在微波电磁参数测量领域和微波电路设计领域中，金属腔体的谐振特性关系着整个微波系统的性能优劣。为了实现能量耦合、样品放置等功能，在合适的位置开孔并获得满足工作需要的振荡模式逐渐成为常态。同时，金属腔的形状也不再局限于规则的矩形、圆柱形、球形等，开始出现复杂且不规则的形状。如何对具有任意形状的开孔金属腔谐振特性实现准确分析，从而在设计阶段就能对系统性能准确仿真，对于微波电磁参数测量和微波电路设计领域都具有重大意义。
2、但当前常用的谐振腔分析方法在开孔金属谐振腔的分析中均存在难以解决的问题。如：等效电路法、模式匹配法等只能对整体结构规则或分区规则的金属腔体谐振特性准确分析；有限元法在分析具有小孔的金属结构时，由于多尺度建模问题的存在导致了待求未知量的急剧增加，而且畸形体网格引入的建模误差极易对求解精度产生不可忽略的影响。谐振腔的分析属于内谐振问题，在外谐振问题中传统的特征值法被广泛用于天线的电磁辐射和目标的电磁散射分析。相比于采用四面体建模的有限元法，传统的特征值法继承了积分方程(surface integral equation,sie)方法的三角面元建模，具有较低的建模复杂度，对外谐振特性可进行准确分析，然而却没能在金属腔的内谐振问题得到推广。其原因主要在于内谐振点仅在极窄的频域内表现出小的突变，而且在开孔金属腔的半封闭结构中有多个非简并模式在内谐振点均会产生特征值突变，这就导致了仅通过定位曲线零点即可直接判定
3、综上，现有手段中仍缺乏可以简单、准确地分析任意形状开孔金属腔谐振特性的数值方法。因此，在低复杂度建模的条件下实现对任意形状开孔金属腔谐振特性的准确数值分析仍具有重要的实际意义。
技术实现思路
1、针对
技术介绍
所存在的传统特征值法难以在宽频域内对开孔金属腔准确查找内谐振频点和确认谐振模式的难题，本专利技术的目的在于提供一种基于sie的开孔金属腔谐振特性分析方法。该方法基于三角形面元对开孔金属腔谐振问题进行建模分析，在内谐振问题的求解中结合了sie方法建模复杂度低和矩量法求解精度高的优点，解决了低复杂度建模条件下对任意形状开孔金属腔的谐振特性准确分析的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
3、一种基于sie的开孔金属腔谐振特性分析方法，包括以下步骤：
4、步骤1：在待分析频率区间范围内选定初始分析区间f1～f2，并设定频率间隔△f、网格剖分尺寸lmesh，使用三角形面元离散开孔金属腔内表面，获得网格模型，对网格模型使用电场表面积分方程和矩量法求得阻抗矩阵z；
5、步骤2：根据步骤1得到的z矩阵定义阻抗运算算子z，由复坡印廷定理推导得到储能效率最大化条件f(jr)min，基于f(jr)min建立内谐振广义特征值方程[zre(jr)][jr]＝α[zim(jr)][jr]，其中，jr为谐振电流，α为特征值，下标re和im分别代表实部和虚部；
6、步骤3：在初始分析区间f1～f2上求解内谐振广义特征值方程，得到若干个特征值，每个特征值对应于一个模式，按照特征值的绝对值从大到小选取前g个模式对应的特征值αm及特征向量vm，m为第m个模式，1≤m≤g；计算相邻频点特征向量vx与vy的皮尔森系数rx,y，依据|rx,y|最接近1的原则对f1～f2区间的αx与αy模式跟踪，将不同频率上属于相同模式的特征值连线；计算每条特征值连线的斜率变化率，筛选出斜率不连续的突变点，并将此点的特征值重置为0，进行修正；
7、步骤4：在修正后的特征值连线中查找谐振频率fr，fr处应满足至少有2个模式在此点的特征值为0；如果不存在，重新设定分析区间f1～f2，并重复步骤1～3，直至找到所需谐振频率fr；
8、步骤5：使用rwg基函数作为点r处的基函数f(r)，并展开模式电流jm(r)＝vm·f(r)；
9、将腔体内表面沿法向向外部平移0.05λr，得到曲面sr，λr为fr对应的自由空间波长；根据em(r)＝-z(vm·f(r))和在sr上计算各模式的电场和磁场，其中k是金属腔内行波传播方向的单位矢量，并得到各模式在sr上最大幅值和计算模式m的内谐振因子βm最小时得到谐振模式nr＝m，计算模式nr在空间中产生的谐振电场er(r)和谐振磁场hr(r)。
10、进一步的，步骤1中具体包括以下步骤：
11、步骤1.1：在待分析频率区间上选定初始分析区间f1～f2，并设定频率间隔△f、网格剖分尺寸lmesh，使用网格剖分软件对开孔金属腔的内表面进行三角形面元离散，获得网格模型；
12、步骤1.2：对于无外部激励源的开孔金属腔，根据理想导体表面切向电场为0的边界条件，得到对应的电场表面积分方程，
13、
14、其中，s代表开孔金属谐振腔内表面，einc(r)表示点r处的入射场，k0和η0分别是自由空间中的波数和波阻抗，jr(r′)和g(r,r′)分别为金属面上的谐振电流和自由空间中的并矢格林函数，r和r′分别是场点矢量和源点矢量，i是复数单位，是梯度算子，是源点处的梯度算子；
15、步骤1.3：将谐振电流jr用rwg基函数作为基函数和测试函数展开，则式(1)写为矩阵方程形式为：
16、[z]·[i]＝[0] (2)
17、其中，z表示阻抗矩阵，i为待求电流系数矩阵。
18、进一步的，待分析频率区间是微波频段内任一段连续、等间隔的频率区间。
19、进一步地，△f取值为0.1mhz～10mhz，网格剖分尺寸lmesh＝0.1λ2，λ2为初始分析区间上边界f2对应的自由空间波长。
20、进一步地，谐振频率精度要求较低时，设定频率间隔较大；若精度要求较高，设定频率间隔较小。
21、进一步的，步骤2中具体包括以下步骤：
22、步骤2.1：定义阻抗矩阵算子z为，
23、
24、根据复坡印廷定理，推导得到金属腔内储能效率最大化条件为f(jr)min，其中
25、
26、其中，prad、pstore分别为辐射能量和储存能量，s∞表示包围金属腔的无穷大曲面，v为s和s∞之间的体积部分，μ0和ε0分别是自由空间中的磁导率和介电常数，er(r)和hr(r)分别是jr在r处产生的谐振电场和谐振磁场，n是曲面上的法向单位矢量，ω为角频率，上标*代表复数的共轭；
27、步骤2.2：根据式(4)建立开孔金属腔的内谐振广义特征值方程，
28、[zre(jr)][jr]＝α[zim(jr)][jr] (5)
29、其中，α是特征值。
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1.一种基于SIE的开孔金属腔谐振特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的开孔金属腔谐振特性分析方法，其特征在于，步骤1中具体包括以下步骤：
3.如权利要求2所述的开孔金属腔谐振特性分析方法，其特征在于，待分析频率区间是微波频段内任一段连续、等间隔的频率区间。
4.如权利要求2所述的开孔金属腔谐振特性分析方法，其特征在于，△f取值为0.1MHz～10MHz，网格剖分尺寸Lmesh＝0.1λ2，λ2为初始分析区间上边界f2对应的自由空间波长。
5.如权利要求4所述的开孔金属腔谐振特性分析方法，其特征在于，谐振频率精度要求较低时，设定频率间隔较大；若精度要求较高，设定频率间隔较小。
6.如权利要求1所述的开孔金属腔谐振特性分析方法，其特征在于，步骤2中具体包括以下步骤：
7.如权利要求1所述的开孔金属腔谐振特性分析方法，其特征在于，步骤3中具体包括以下步骤：
8.如权利要求1所述的开孔金属腔谐振特性分析方法，其特征在于，特征值的个数g为40。
【技术特征摘要】
1.一种基于sie的开孔金属腔谐振特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的开孔金属腔谐振特性分析方法，其特征在于，步骤1中具体包括以下步骤：
3.如权利要求2所述的开孔金属腔谐振特性分析方法，其特征在于，待分析频率区间是微波频段内任一段连续、等间隔的频率区间。
4.如权利要求2所述的开孔金属腔谐振特性分析方法，其特征在于，△f取值为0.1mhz～10mhz，网格剖分尺寸lmesh＝0.1λ2，λ2为初始分析区间上边界...
【专利技术属性】
技术研发人员：牛雪，张云鹏，余承勇，高冲，高勇，李恩，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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