[发明专利]一种多突变结构任意截面复功率的计算方法

说明书

本发明属于微波无源器件CAD技术领域，具体涉及一种多突变结构任意截面复功率的计算方法，基于模式匹配法。本发明避开了电场与磁场的繁琐求解，减小了计算机资源消耗与计算时间；直接利用各级突变的散射矩阵获得任意截面的复功率，对模式匹配法应用的正确性提供了一种简单而有效的验证方式。可以快速准确地得到多级突变结构内部任意截面的复功率值，是一种快速高效、便于操作的计算方法。

技术领域

本发明属于微波无源器件CAD技术领域，具体涉及一种多突变结构任意截面复功率的计算方法(基于模式匹配法)。

背景技术

微波无源器件在微波通信领域占有重要地位，被广泛地应用于现代通讯和雷达装置的微波毫米波系统中。典型的微波无源器件有高功率微波窗、波导滤波器、功率分配器、模式变换器、阻抗匹配器、定向耦合器、移相器、环行器、隔离器和衰减器等。这些无源器件一般都是由不同的规则几何体组成，包含一些渐变结构，阶梯结构等。微波无源器件的设计与传输特性的分析是一个重要的课题。包含多级不连续性结构的微波无源器件示意图如图1所示。整个微波无源器件由多个不同的均匀波导段构成，每个均匀波导段称为一个分区，共有n+1个分区，各分区从左到右依次编号1,2,…,n+1。不同均匀波导段的连接处构成了一个突变，共有n个突变，各突变从左到右依次编号1,2,…,n。

模式匹配法是一种基于严格场理论的全波分析方法，具有仿真速度快、求解精度高、占用计算机内存资源小等优势，被广泛应用于微波无源器件的仿真设计与分析中。模式匹配法的主要思想是将各均匀波导段中的电磁场进行模式展开，在相邻波导段连接的不连续处，通过横向电场连续、横向磁场连续、或复功率守恒来实现两侧波导之间的模式耦合。这就涉及到如何在模式匹配法的框架下进行复功率的计算问题。目前，尚没有文献给出具体的基于模式匹配法中的复功率的计算方法。

复功率P_c定义为：

其中，和分别为归一化电场与磁场，一般情况下为复数；S₀为任意截面；代表在横截面S₀上的面积分；P_c的实部为有功功率，虚部为无功功率。

利用HFSS、CST等三维电磁软件进行微波无源器件仿真和设计时，在求解出电场与磁场分布的基础上，可以利用软件的后处理功能计算坡印延矢量在横截面S₀上的面积分，以得到单频点的复功率。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中对模式匹配法复功率的计算不明确的问题，提供了一种多突变结构任意截面复功率的计算方法。该计算方法基于模式匹配法，避开了电场与磁场的繁琐求解，直接利用各级突变的散射矩阵获得任意截面的复功率，对模式匹配法应用的正确性提供了一种简单而有效的验证方式。

本发明技术方案为：

一种多突变结构任意截面复功率的计算方法，包括以下步骤：

S1、整个微波无源器件由多个不同的均匀波导段构成，每个均匀波导段称为一个分区，共有n+1个分区，各分区从左到右依次编号1,2,…,n+1，不同均匀波导段的连接处构成了一个突变，共有n个突变，各突变从左到右依次编号1,2,…,n。根据多突变结构所需求解复功率的截面S₀的位置，将截面S₀左侧的所有突变(共p个突变)划分为一个突变群，将截面S₀右侧的所有突变(共n-p个突变)划分为一个突变群。共两个突变群，其划分如图2所示。

对于截面S₀刚好位于某突变上的情况，既可以把该突变划分到截面S₀右侧的突变群中，也可以将其划分到截面S₀左侧的突变群中。