一种微波铁氧体互调及谐波效应的时域有限差分仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种微波铁氧体互调及谐波效应的时域有限差分仿真方法，包括：获取铁氧体材料磁化强度与磁场强度关系的非线性数学表达f()；基于麦克斯韦方程以及铁氧体中磁偶极矩运动方程，获取铁氧体材料中的磁化强度和磁场强度各个分量满足的微分方程；采用迭代法求解各个场分量满足的微分方程组，转换为迭代初值以及近似解与各自迭代初值差所满足的两组方程；利用时域有限差分法求解方程组，获得各个场分量的时域数值解，并通过后处理获得铁氧体微波器件的互调和谐波电平。本发明专利技术能够仿真由于磁化强度与外加磁场强度非线性关系以及磁化强度和磁场强度乘积非线性导致的铁氧体微波部件的互调和谐波效应。体微波部件的互调和谐波效应。体微波部件的互调和谐波效应。

【技术实现步骤摘要】
一种微波铁氧体互调及谐波效应的时域有限差分仿真方法


[0001]本专利技术属于微波部件无源互调和谐波效应领域，具体涉及一种微波铁氧体互调及谐波效应的时域有限差分仿真方法。

技术介绍

[0002]微波铁氧体材料由于具有旋磁效应而被广泛的用于制备环形器、隔离器、开关、移相器和调制器等微波器件。微波铁氧体的磁化强度和磁场强度之间通常表现出显著的非线性特性，使得微波铁氧体器件具有较为显著的非线性效应，即产生互调和谐波干扰。
[0003]磁性材料，例如镍金属镀层，引起的非线性问题在同轴连接器以及波导法兰连接等场景已经受到关注，通常可以通过降低镀层材料磁性，或者避免磁性材料暴露在电磁场中而抑制互调和谐波效应。然而与镀层材料磁滞非线性不同的是，铁氧体器件正是利用其旋磁特性使得电磁场在其内部传播时受到调控而实现特定功能。因此，铁氧体器件在工作时不可避免的将伴随着互调和谐波等非线性效应。
[0004]由于铁氧体材料具有各向异性磁导率，并且受到外加磁场调控，因此其互调和谐波效应的建模仿真方法将与传统镍镀层磁滞非线性引起的互调和谐波效应仿真方法显著不同。众所周知，时域有限差分法(FDTD)是微波领域用于电磁计算的经典方法之一。然而，目前尚未有针对微波铁氧体材料的互调和谐波效应的FDTD全波电磁仿真方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种微波铁氧体互调及谐波效应的时域有限差分仿真方法。
[0006]本专利技术采用如下技术方案来实现的：
[0007]一种微波铁氧体互调及谐波效应的时域有限差分仿真方法，包括以下步骤：
[0008]1)获取铁氧体材料磁化强度与磁场强度关系的非线性数学表达f()：测量铁氧体材料磁化强度M
c
随外加磁场强度H
c
变化的关系曲线M
c
(H
c
)，通过数值拟合获得非线性函数关系的数学表达f(H
c
)；
[0009][0010]其中M
s
为饱和磁化强度，代表外加磁场强度H
c
的方向规定为z方向；
[0011]2)基于麦克斯韦方程以及铁氧体中磁偶极矩运动方程，获取铁氧体材料中的磁化强度和磁场强度各个分量满足的微分方程：
[0012][0013][0014][0015][0016][0017][0018][0019][0020][0021]其中M
x
、M
y
和M
z
分别为x、y和z方向的磁化强度分量，H
x
、H
y
和H
z
分别为x、y和z方向的磁场强度分量，E
x
、E
y
和E
z
分别为x、y和z方向的电场强度分量，t为时间，μ0为真空磁导率，γ为旋磁比，ε为介电常数，σ为电导率；
[0022]3)采用迭代法求解步骤2)中的各个场分量满足的微分方程组，转换为迭代初值以及近似解与各自迭代初值差所满足的两组方程；
[0023]迭代初值通过如下方程组获得：
[0024][0025][0026]M
z0
＝0(13)
[0027][0028][0029][0030][0031][0032][0033]其中M
x0
、M
y0
和M
z0
分别为x、y和z方向的磁化强度分量的迭代初值，H
x0
、H
y0
和H
z0
分别为x、y和z方向的磁场强度分量的迭代初值，E
x0
、E
y0
和E
z0
分别为x、y和z方向的电场强度分量的迭代初值；
[0034]各个场分量的第m阶近似解与各自迭代初值的差，m＝1,2,3
…
，满足如下方程组：
[0035][0036][0037][0038][0039][0040][0041][0042][0043][0044]其中M
xp,m
、M
yp,m
和M
zp,m
分别为x、y和z方向的磁化强度分量的第m阶近似解与迭代初值的差，H
xp,m
、H
yp,m
和H
zp,m
分别为x、y和z方向的磁场强度分量的第m阶近似解与迭代初值的差，E
xp,m
、E
yp,m
和E
zp,m
分别为x、y和z方向的电场强度分量的第m阶近似解与迭代初值的差；M
x,m
‑1、M
y,m
‑1和M
z,m
‑1分别为x、y和z方向的磁化强度分量的第m
‑
1阶近似解，当m＝1时，即为迭代初值，H
x,m
‑1、H
y,m
‑1和H
z,m
‑1分别为x、y和z方向的磁场强度分量的第m
‑
1阶近似解，当m＝1时，即为迭代初值，E
x,m
‑1、E
y,m
‑1和E
z,m
‑1分别为x、y和z方向的电场强度分量的第m
‑
1阶近似解，当m＝1时，即为迭代初值；
[0045]4)利用时域有限差分法求解步骤3)中的方程组，获得各个场分量的时域数值解，并通过后处理获得铁氧体微波器件的互调和谐波电平。
[0046]本专利技术进一步的改进在于，步骤1)中采用f()数学关系用于描述铁氧体材料的磁
化强度随外加磁场强度变化的非线性关系。
[0047]本专利技术进一步的改进在于，步骤2)中考虑了f()非线性特性，同时考虑了包括M
y
·
H
z
、M
z
·
H
y
、M
x
·
H
z
、M
z
·
H
x
、M
x
·
H
y
和M
y
·
H
x
所代表的磁化强度和磁场强度乘积导致的非线性。
[0048]本专利技术进一步的改进在于，步骤4)中时域有限差分法的时域激励信号波形根据互调和谐波效应分析需求，能够设置为单音、双音、多音以及调制信号。
[0049]本专利技术进一步的改进在于，步骤4)时域有限差分法采用Yee元胞，磁化强度各个分量取值的空间位置与磁场强度各个分量取值的空间位置重合，且取值均在n+1/2时刻，电场强度取值在n时刻。
[0050]本专利技术进一步的改进在于，步骤4)时域有限差分法中磁化强度和磁场强度的各个分量的差分方程采用如下形式；
[0051]迭代初值的递推方程：
[0052][0053][0054][005本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微波铁氧体互调及谐波效应的时域有限差分仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取铁氧体材料磁化强度与磁场强度关系的非线性数学表达f()：测量铁氧体材料磁化强度M
c
随外加磁场强度H
c
变化的关系曲线M
c
(H
c
)，通过数值拟合获得非线性函数关系的数学表达f(H
c
)；其中M
s
为饱和磁化强度，代表外加磁场强度H
c
的方向规定为z方向；2)基于麦克斯韦方程以及铁氧体中磁偶极矩运动方程，获取铁氧体材料中的磁化强度和磁场强度各个分量满足的微分方程：和磁场强度各个分量满足的微分方程：和磁场强度各个分量满足的微分方程：和磁场强度各个分量满足的微分方程：和磁场强度各个分量满足的微分方程：和磁场强度各个分量满足的微分方程：和磁场强度各个分量满足的微分方程：和磁场强度各个分量满足的微分方程：和磁场强度各个分量满足的微分方程：其中M
x
、M
y
和M
z
分别为x、y和z方向的磁化强度分量，H
x
、H
y
和H
z
分别为x、y和z方向的磁场强度分量，E
x
、E
y
和E
z
分别为x、y和z方向的电场强度分量，t为时间，μ0为真空磁导率，γ为旋磁比，ε为介电常数，σ为电导率；3)采用迭代法求解步骤2)中的各个场分量满足的微分方程组，转换为迭代初值以及近似解与各自迭代初值差所满足的两组方程；迭代初值通过如下方程组获得：
M
z0
＝0(13)＝0(13)＝0(13)＝0(13)＝0(13)＝0(13)其中M
x0
、M
y0
和M
z0
分别为x、y和z方向的磁化强度分量的迭代初值，H
x0
、H
y0
和H
z0
分别为x、y和z方向的磁场强度分量的迭代初值，E
x0
、E
y0
和E
z0
分别为x、y和z方向的电场强度分量的迭代初值；各个场分量的第m阶近似解与各自迭代初值的差，m＝1,2,3
…
，满足如下方程组：，满足如下方程组：，满足如下方程组：，满足如下方程组：，满足如下方程组：，满足如下方程组：，满足如下方程组：
其中M
xp,m
、M
yp,m
和M
zp,m
分别为x、y和z方向的磁化强度分量的第m阶近似解与迭代初值的差，H
xp,m
、H
yp,m
和H
zp,m
分别为x、y和z方向的磁场强度分量的第m阶近似解与迭代初值的差，E
xp,m
、E
yp,m
和E
zp,m
分别为x、y和z方向的电场强度分量的第m阶近似解与迭代初值的差；M
x,m
‑1、M
y,m
‑1和M
z,m
‑1分别为x、y和z方向的磁化强度分量的第m
‑
1阶近似解，当m＝1时，即为迭代初值，H
x,m
‑1、H
y,m
‑1和H
z,m
‑1分别为x、y和z方向的磁场强度分量的第m
‑
1阶近似解，当m＝1时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵小龙，贺永宁，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：