[发明专利]一种谐振辐射装置传输功率和比吸收率的仿真外推方法

说明书

本发明公开了一种谐振辐射装置传输功率和比吸收率的仿真外推方法，主要解决传统时域有限差分算法计算传输功率和比吸收率时效率低和精度低的问题。谐振辐射装置空载时，本发明算法通过驻波振幅最大位置的电场包络线的前三个极值外推出稳定电场振幅，用以计算传输功率；加载细胞样品时，根据细胞样品中关键点的电场包络线的前三个极值外推出细胞样品中各点的稳定电场振幅，用以计算比吸收率。使用本算法时，时域有限差分算法只需要完成激励初始阶段的仿真，不用持续到电场振幅稳定阶段，提高了仿真效率。本算法用电场包络线的三个极值显式计算稳定的电场振幅、传输功率和比吸收率，提高了计算效率和精度。

技术领域

本发明涉及电磁场数值仿真技术领域，具体为一种谐振辐射装置传输功率和比吸收率的仿真外推方法。

背景技术

以短路矩形波导为代表的谐振辐射装置广泛应用于细胞样品如培养皿、培养板、培养瓶中的细胞单层和细胞溶液的电磁辐射实验，以研究电磁辐射的细胞效应。谐振辐射装置的工作频率一般从835MHz到2450MHz，可以实现较高的辐射效率和较小的辐射不均匀性。

细胞效应对应的电磁辐射剂量可以用谐振辐射装置的传输功率和比吸收率进行量化。空载的短路矩形波导中的驻波可以分解为沿轴向的入射波和反射波，二者功率相等，定义为传输功率。短路矩形波导加载细胞样品后，细胞样品中某点吸收的电磁功率与该点细胞样品的质量密度之比定义为比吸收率。谐振辐射装置的辐射效率为细胞样品中比吸收率的平均值与传输功率之比，辐射不均匀性指细胞样品中比吸收率的不均匀性，可以用比吸收率分布的标准偏差衡量。

谐振辐射装置对细胞样品的电磁辐射的数值仿真普遍采用时域有限差分(FDTD)算法。与其他数值仿真算法相比，FDTD算法的正交网格剖分特别适用于生物材料的建模和数据统计。FDTD算法能够精确模拟谐振辐射装置中电场和磁场的产生、稳定和分布，基于驻波的电场振幅计算传输功率，基于细胞样品中的电场振幅计算比吸收率。

传输功率和比吸收率的计算需要使用驻波和细胞样品中稳定的电场振幅，而由于制作公差和加载细胞样品的原因，谐振辐射装置的谐振频率和激励源的激励频率存在一定偏差，激励初始阶段的电场振幅是振荡收敛的，特别是谐振频率和激励频率接近时，电场振幅的稳定需要一定时间。FDTD算法对这一段时间的仿真时间很长，往往数小时甚至几天后才能获得稳定的电场振幅，影响传输功率和比吸收率的计算效率。

为了提高计算效率，人们尝试利用振荡阶段的电场波形推算其稳定振幅。L.Qi等人在P.F.Ribeiro主编的专著“Time-Varying Waveform Distortions in PowerSystems.West Sussex,U.K.:Wiley,2009,pp.317–330”中公开了一种Prony算法，该方法将FDTD算法仿真得到的激励初始阶段的不稳定的电场分解为一系列正弦波分量，获得每个分量的初始振幅、频率、相位和衰减因子，用衰减因子为零的分量合成稳定的电场。但是，该方法专用于排除功率传输系统中非线性负载产生的瞬态谐波，不适合分析谐振辐射装置在激励初始阶段存在的连续频谱。Prony算法的线性预测模型的参数类型复杂，数量较多，非递归单变量分解算法的参数计算效率较低，样本数量有限时理论误差不归零，误差与样本数量的关系不确定，有效控制误差仍然需要在激励初始阶段用过长时间的仿真提供足够数量的样本。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种谐振辐射装置传输功率和比吸收率的外推方法，用于解决现有算法不适用于分析谐振辐射装置、参数的计算效率低、理论误差不归零和由此造成的仿真时间过长的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种谐振辐射装置传输功率和比吸收率的仿真外推方法，谐振辐射装置包括矩形波导谐振腔，所述矩形波导谐振腔内部两端对称设置有支撑组件，所述支撑组件末端连接有培养皿，所述培养皿内部设置有细胞样品，所述细胞样品为细胞单层，所述矩形波导谐振腔通过底部中心安装孔连接于射频连接器，所述射频连接器上侧连接有耦合探针；