《微波无源器件的快速有限元全波分析》
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摘 要：对于电磁场来说,要从其有限元法技术方面出发,通过使用有限元撕裂对接的方法将庞大且极其复杂的面模型转化成许多个较小的且简单的模型进行分析,再加之引入高阶的传输条件和并行计算的方式从而进一步提高了有限元撕裂对接法的功能.对基片集成波导和微带滤波器这两种经典且传统的微波无源器件中S参数进行了仿真分析,通过其结果从而证明了此方法的准确性和有效性.本文通过微波源元器件对快速有限元全波进行相关分析.
关键词：微波无源器件;有限元法;全波分析
伴随着科学技术的发展工程需求量逐渐地提升,各类电子设备工作的速率越来越快,其内部结构越来越复杂,从而带来了电磁环境的复杂化和电磁特性分析的困难化.从而有限元法在应用的过程中迎来了巨大的挑战,其工作的效率时常表现得不稳定.对此,本文作者基于自己对微波无源器件、快速有限元全波的了解,分析了原始模型的非重叠子域,子域之间的信息交互及收敛速度等内容,希望以此来深入了解微波无源器件的快速有限元全波.此外,还分析了有限元撕裂对接法,以此来提升微波无源器件的性能.
1微波无源器件的简单概述
对于微波无源器件来说,它是射频器件中至关重要的一类,被广泛的应用到各种各样微波集成电路和无线通信系统中.在对微波无源器件进行分析和设计过程中,其电磁特性的参数一直是微波工程领域探究的热点和难点.相比于实验的方法,电磁仿真的方法具有效率高、低、灵活性较高等优势.随着科学技术的不断地进步与发展,对于电磁场数值的仿真已经引起了人们的普遍重视.对于电磁场数值仿真的方法涵盖了矩量法、时域有限差分法、有限元法等[1].对于有限元法来说,其可以准确的模仿相对复杂的架构和材料进而具有良好的适应能力,获得了大范围的应用.
2快速有限元全波的意义的
快速有限元全波实质上就是有限元撕裂对接法,所谓的有限元撕裂对接法其实就是一种非区域重叠的分解法,它是通过“分而治之”的思想[1],将庞大且结构较为复杂的问题分解为若干个小型的问题来进行相关计算,从而在很大程度上降低了对问题求解的复杂度同时提高了对问题的计算效率,因此方法具有很长远的发展前景.有限元撕裂对接法首次被应用是在力学和声学的领域中,但是随着时间的推进,在最近一段时间呢,其成功的被引入到电磁学领域中来,并且取到了较为满意的效果[2].目前有限元撕裂对接法在电磁学领域中主要是对开域电磁散射和辐射进行相关性研究.例如目标雷达散射截面和阵列天线辐射方向图的计算.对于微波器的特性分析来说,其是属于一个闭域传输问题,因此,在微波器件中对有限元撕裂对接法进行相关性研究具有重要的意义.
3快速有限元全波的基本原理
3.1有限元撕裂对接法
对于有限元撕裂对接法的实施要分为三个步骤.首先要将整个区域模型划分成众多的分重叠子区域,这就是“撕裂”的过程,然后对每一个区域进行相关性有限元分析.其次,通过利用相邻的区域连接界面上的传输条件,进行不同区域之间的信息交互和分析,即“对接”的过程,进而生成了对接面上未知量的方程.最后,对该方程进行求解并获得连接面上的电场,并将其当作已知的边界条件然后求出每个区域内的电场,将所得的电场快的进行处理,从而得到电磁特性的参数[3].
3.2并行计算
有限元撕裂对接法将所有区域的问题划分成不同小区域的问题,然后进行相关求解.利用这种方式,一方面是不同区域之间的相互独立性使有限元撕裂对接法具备了强大的并行性;另一方面,不同区域之间的信息传递对于并行计算的效率起到了制约的作用[4].因此,对有限元撕裂对接法进行有效、合理的规划,再加上并行计算的方法,进而可以大大的提高此方法的运行效率.
不同区域的划分以及网格的离散是在进行有限元撕裂对接法时重要的步骤,也是影响并行性能的主要因素.合理的区域划分和网格离散方式应当尽可能的让每一个区域网格离散产生未知量的数目应该是相同的,进而有效地保证了各个并行进程之间的负载均衡.所以在划分区域的过程中,需要依据不同的材料和网格离散密度进行对区域的大小进行设置.一般情况下,对于一个区域来说都会分配到一个进程.有限元撕裂对接法在分布式的并行计算机系统当中可以划分为区域处理、连接交互界面方程求解和区域方程求解三个不同阶段.
4数值结果与分析
为了验证有限元撕裂对接法的准确定与合理性,所以对两种传统典型的微波无源器件进行实验并进行结果的对比.其中利用到一个基片集成波导和一个滤波器,而进行计算的平台则是使用的高频、高性能计算服务器,对于并行的环境是使用的分布式消息传递模型.在所有的准备工作都准备好之后,开始对此方法进行相关评估,最后通过结果所反映的情况可以看出,随着划分区域的数量越来越多,计算的速度逐渐加快[5].其次在加速过程中,加速比并不是呈线性增加的,并行的效率也会有所降低,造成效率降低的原因是由于区域数增多,数据进行信息交换的数据量增大,进而降低了并行的效率.
其中“基片集成波導”是应用频率较高的一种导波结构,其原理在于利用金属过孔将波导传播到介质基片上,不仅具有很好的品质因数,还具有辐射损耗小、体积小等特点,使其容易加工应用.
微带滤波器则是用过微带线讲微波传输在介质基片上,然后形成微波集成电路,同时还可以应用于高速脉冲电路.
结语：
综上所述,对于有限元撕裂对接法进行了不同种微波无源器件的电磁特性详细分析,并与所测量出的S参数进行了认真地比较,验证了此方法的正确性.通过与传统有限元性能的对比,表明了此有限元撕裂对接法的合理性.在引入分布式的并行计算之后,更进一步的提升了该方法的各项性能,从而可以得出有限元撕裂对接法可以对微波无源器件分析提供可靠的、合理的、准确的技术支持.
参考文献：
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有限元引用文献:
[1] 有限元分析论文范文 关于有限元分析方面在职研究生论文范文10000字
[2] 有限元分析论文范文 关于有限元分析类论文范例2000字
[3] 有限元分析论文范文 有限元分析论文写作参考范文2万字
