[发明专利]一种基于混合时域有限元算法的低频电小系统设计方法

权利要求书

1.一种基于混合时域有限元算法的低频电小系统的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

对电子器件进行建模，并设置所述电子器件的参数信息以及激励，以设定计算区域；

通过预设软件对所述计算区域进行网格剖分，并记录所述计算区域中每个单元的信息；

运用混合时域有限元算法对所述每个单元的信息对应的未知电场进行计算求解，获取低频电小系统的参数值；

当所述电子器件为螺旋环形电感时，所述对电子器件进行建模并设置所述电子器件的参数信息以及激励，以设定计算区域的步骤具体包括：

设定电感的匝数；

在所述电感外框设一个矩形金属框架作为地；

将连接所述电感的最外圈和所述地的一个端口设置为第一接收器；

将所述电感的中心连接到所述地的另一端口设置为第一信号源；

设定第一仿真的空气盒子大小，以确定第一计算区域；

当所述电子器件为无线功率传输系统时，所述对电子器件进行建模并设置所述电子器件的参数信息以及激励，以设定计算区域的步骤具体包括：

将三个边长均为100mm的方形电感线圈并列设置；

将中间的所述方形电感线圈作为第二信号源，两端的两个所述方形电感线圈均作为第二接收器；

设定第二仿真的空气盒子大小，以确定第二计算区域；

所述运用混合时域有限元算法对所述每个单元的信息对应的未知电场进行计算求解，获取低频电小系统的参数值的步骤具体包括：

(1)模拟宽带，以解决电磁场边值问题在域Ω的二阶电场波动方程为：

其中，ε、μ、σ_e分别代表材料的介电常数、磁导率和电导率，r为位置矢量，t代表时间，J_i和M_i表示外加电场和磁场的电流密度，E表示电场值；

(2)利用高斯定律和电流连续性方程，构造约束方程：

(3)根据伽辽金法，将混合时域有限元离散方程表示为矩阵方程，通过所述矩阵方程得到包含电场未知数的共向量e，所述矩阵方程为：

其中，M、S、C分别为质量、刚度、阻尼矩阵，K₁和K₂是与高斯定律与拉格朗日乘子相关的约束矩阵，T表示对矩阵做转置，j和m为矢量基函数分别与电流源和磁流源作内积产生的列向量，y表示除完美电导体节点外的所有网格节点上的未知数，j₁是梯度基函数与电流源作内积产生的列向量。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述参数信息包括：模型的尺寸、模型材料的相对介电常数、模型材料的相对磁导率、模型材料的电导率、模型所使用的空气盒子、模型的边界条件。

3.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，当所述电子器件为螺旋环形电感时，所述方法还包括：

步骤一：对所述包含电场未知数的共向量e进行积分得到所述螺旋环形电感的两个端口对应的两个瞬时电压；

步骤二：所述步骤一中的所述两个瞬时电压通过傅里叶变换得到S₁₁参数；

步骤三：通过公式求出电感值L，并调节模型设计出所需的固定电感值的电感器。

4.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，当所述电子器件为无线功率传输系统时，所述方法还包括：

第一步：对所述包含电场未知数的共向量e进行积分得到所述无线功率传输系统的三个端口对应的三个瞬时电压；

第二步：所述第一步中的所述三个瞬时电压通过傅里叶变换得到S₂₁参数、S₃₁参数；

第三步：通过公式求出传输效率η。