有限元-边界积分法在微波无源器件中的应用

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为了更快速、更精确地解决计算电磁学中的各类问题,不同的数值仿真方法一直是研究的重点。在众多的数值方法中,有限元法广泛用于解决辐射、散射及谐振腔等问题。而在实际应用中,很多电磁散射问题和辐射问题都涉及到无限区域,这时有限元法需要在离开目标一段距离的位置设置合适的边界条件,从而增加了计算量。虽然边界积分法在积分方程的基础上可以直接分析目标问题,但是最终要生成一个满秩矩阵,这对计算机的内存和计算要求较高,不能应用到尺寸较大的电磁问题中。为了更好地应用这两种数值仿真方法,发展出有限元-边界积分法。通过引入一个虚构的边界可以将这种方法应用到实际的电磁问题中,以边界面分割,边界内部应用有限元法,边界外应用边界积分法,并根据场的连续性进行耦合。有限元-边界积分法对于处理大型无限域问题有着较大的优势,因此有必要对其进行研究和应用。本文主要工作分为以下三点:首先对有限元法进行分析,并通过对谐振腔本征模的分析加深对有限元法的理解。在这个过程中,通过离散网格、添加插值函数、强加边界条件、矩阵稀疏存储以及对矩阵求解等过程得到最后的本征解。并通过与谐振腔的解析解进行比较,计算误差大小,进而凸显有限元法在计算此类问题时的优势。然后,采用矢量有限元法分析激励波导的不连续性问题,在边界处添加一阶吸收边界条件,并计算波导结构的S参数。在结果的验证阶段,引入HFSS仿真软件与波导云图进行比较,进而为接下来证明有限元-边界积分方法具有更高的精度做好基础。最后,通过对有限元-边界积分方法一般性公式进行推导,进而求解激励波导的S参数。将腔体开口处用一个虚构面隔开,在虚构面内部应用有限元法进行分析,在虚构面外部应用边界积分法进行处理,这通过场的连续性将两个方程组进行耦合求解。在得到S参数之后与通过只通过有限元法得到的S参数进行比较,得出有限元-边界积分法更加精确的结论。
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