微波电路瞬态电磁-热协同仿真方法研究

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随着电磁场与微波技术的发展,各种微波和射频电路的工作频率越来越高,这使得实际设计的微波和射频电路的特征尺寸不断减小并且集成复杂度不断增加。随之而来的功耗和热问题成为微波射频电路的主要问题之一,热效应的问题不可再忽略不计,因此采用合适的数值计算方法研究电磁热协同仿真至关重要。本文的目的在于研究电磁-热协同仿真方法。论文的主要研究内容和创新点包括以下几部分:首先,本文采用时域不连续伽辽金方法进行电磁仿真。从时域麦克斯韦方程出发,对方程进行伽辽金测试,获得时域离散矩阵方程,求解矩阵方程实现电磁仿真。在现有的电磁-热协同仿真方法中,一般采用时域有限差分法、时域有限元法进行电磁仿真,时域有限差分法采用正交网格离散计算域,易引入阶梯误差,不利于复杂曲面模型建模;时域有限元法需要求解大型稀疏矩阵方程,仿真大规模电磁问题时资源消耗极高。本文采用时域不连续伽辽金方法作为电磁-热协同仿真过程中的电磁仿真算法,该方法不仅可以实现复杂几何模型的灵活建模,而且可以实现单元级区域分解,每个单元独立求解矩阵方程,避免了求解大型稀疏矩阵方程,便于分析大规模的电磁问题,易于实现并行。其次,本文采用时域有限元方法进行热仿真。从热传导方程出发,采用节点基函数展开温度场,最终得到时域离散的矩阵方程,求解矩阵实现热仿真。由于温度场是标量,采用节点基函数展开温度场时产生的未知量个数较少,最终形成的矩阵规模也较小,时域有限元方法适用于分析热问题。最后,本文研究了瞬态电磁-热协同仿真以及并行技术。根据电磁仿真中得到的电场强度分布计算得到电磁损耗功率,依此作为热源实现电磁-热耦合。本文采用MPI并行技术实现并行电磁-热仿真,提高计算效率以及实现大规模电磁热耦合问题的仿真。
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