热力学模型、电热模型、温度预测方法和倍频器仿真方法与流程

1.本发明涉及太赫兹通信技术领域，尤其是涉及一种热力学模型、电热模型、温度预测方法和倍频器仿真方法。


背景技术：

2.太赫兹波是指频率在0.1~10thz范围的电磁波，其频谱位于毫米波与红外光波之间，兼具了微波和光波的特性并具有独特的特点，这使得太赫兹技术成为电子学和光子学研究的重要扩展。
3.肖特基二极管是太赫兹固态电路的核心器件，申请人在实现本发明的过程中发现，现有技术中，太赫兹固态电路的仿真优化常采用“场-路”结合的仿真方法，将三维电磁仿真与谐波平衡仿真结合使用，但得到的仿真结果与实际使用状况存在较大差异。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种热力学模型、电热模型、温度预测方法和倍频器仿真方法，来解决现有技术中存在的上述技术问题，主要包括以下四个方面：本技术第一方面提供了一种热力学模型，用于太赫兹肖特基二极管，包括等效电流源、等效热电阻和等效热电容，所述等效电流源由太赫兹肖特基二极管的耗散功率等效得到，等效电流源与等效热电阻串联，所述等效热电阻和等效热电容并联设置，等效热电阻和等效热电容协同用于等效太赫兹肖特基二极管的热量流动通道。
5.本技术第二方面提供了一种电热模型，用于太赫兹肖特基二极管，包括电子学模型和上述的热力学模型，所述电子学模型包括电子电流源、电荷源和级联电阻，所述电子电流源与级联电阻串联，所述电荷源与电子电流源并联，电子学模型用于输出耗散功率。
6.本技术第三方面提供了一种温度预测方法，用于太赫兹肖特基二极管阳极温度预测，基于上述的热力学模型或上述的电热模型，包括以下步骤，步骤y100，获取太赫兹肖特基二极管的耗散功率；步骤y200，将耗散功率等效为热力学模型中的等效电流源，然后通过热力学模型得到等效热电阻；步骤y300，将等效热电阻代入阳极温度计算公式，，式中，为太赫兹肖特基二极管阳极的温度，为热力学模型初始环境温度；
得到太赫兹肖特基二极管阳极的温度。
7.进一步地，在步骤y100中，获取太赫兹肖特基二极管的电路参数，基于电路建立太赫兹肖特基二极管的电子学模型，利用电子学模型获取太赫兹肖特基二极管的耗散功率。
8.进一步地，在步骤y300中，环境温度为常温。
9.进一步地，所述温度预测方法基于商用仿真软件进行建模预测。
10.本技术第四方面提供了一种倍频器仿真方法，用于太赫兹频段，基于上述的热力学模型或上述的电热模型，包括以下步骤，步骤s100，获取倍频器中太赫兹肖特基二极管的电路参数；步骤s200，基于电路参数建立太赫兹肖特基二极管的电子学模型，得到初步电子学模型，初步电子学模型的环境温度为常温；步骤s300，通过初步电子学模型输出得到耗散功率，将耗散功率等效为等效电流源代入热力学模型中，得到太赫兹肖特基二极管阳极的温度；步骤s400，将温度代入初步电子学模型中，对太赫兹肖特基二极管进行仿真优化，得到太赫兹肖特基二极管的优化电路参数；步骤s500，基于太赫兹肖特基二极管的优化电路参数和倍频器的s参数，进行整体电路仿真。
11.进一步地，基于倍频器结构进行无源电路仿真，得到倍频器的s参数。
12.进一步地，基于太赫兹肖特基二极管的结构提取spic参数，以spic参数作为太赫兹肖特基二极管的电路参数。
13.进一步地，在步骤s500中，通过整体电路仿真得到倍频器的性能数据，判断性能数据是否满足要求，在性能数据不能满足要求时，优化倍频器结构，然后基于优化后倍频器结构进行无源电路仿真，得到倍频器的优化s参数，再将优化s参数代入步骤500进行整体电路仿真。
14.本发明相对于现有技术至少具有如下技术效果：本发明基于热力学模型，可以得到太赫兹肖特基二极管的等效热电阻和阳极结温度，以此表征太赫兹肖特基二极管的热效应，然后在后续太赫兹固态电路设计过程中，就可以将热效应纳入倍频器的谐波平衡仿真中，以此提高太赫兹固态电路仿真优化的准确度，让仿真优化结果更接近于实际使用状况。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本发明太赫兹肖特基二极管热力学模型的示意图；图2是本发明太赫兹肖特基二极管电子学模型的示意图；图3是本发明太赫兹肖特基二极管电-热模型的示意图；图4是本发明太赫兹倍频器的仿真流程图。
具体实施方式
17.以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
18.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
19.实施例1：本技术实施例提供了一种热力学模型，用于太赫兹肖特基二极管，如图1所示，图中，是阳极结处耗散的功率，是等效热电阻，是等效热电容，为太赫兹肖特基二极管阳极的温度，为热力学模型初始环境温度，热力学模型包括等效电流源、等效热电阻和等效热电容，所述等效电流源由太赫兹肖特基二极管的耗散功率等效得到，等效电流源与等效热电阻串联，所述等效热电阻和等效热电容并联设置，等效热电阻和等效热电容协同用于等效太赫兹肖特基二极管的热量流动通道。
20.肖特基二极管是太赫兹固态电路的核心器件，申请人在实现本发明的过程中发现，现有技术中，太赫兹固态电路的仿真优化常采用“场-路”结合的仿真方法，将三维电磁仿真与谐波平衡仿真结合使用，但得到的仿真结果与实际使用状况存在差异；而申请人在实现本发明的过程中发现，在太赫兹固态电路研究中，电路中的热效应往往被忽视，无论是混频器还是倍频器，在工作中都涉及到功率的转化，当输入信号加载到肖特基二极管对时，一部分输入功率被传化为频率倍增（倍频器）或频率变换（混频器）后的输出功率，其余的输入功率会转化成热量在二极管的阳极处耗散，引起阳极附近区域的温度上升并导致电路性能的恶化，而随着工作频率的上升，肖特基二极管的阳极面积不断减小，热效应愈发明显，这也就造成了电路设计中得到的仿真结果与实际使用状况存在差异的问题；而在本实施例中，在太赫兹固态电路设计过程中加入太赫兹肖特基二极管的热力学模型，以等效热电阻和等效热电容协同等效太赫兹肖特基二极管的热量流动通道，将太赫兹肖特基二极管的耗散功率等效为等效电流源，由于太赫兹肖特基二极管的耗散功率可以通过现有的电子学模型直接获得，因此，基于热力学模型，可以得到太赫兹肖特基二极管的等效热电阻和阳极结
温度，以此表征太赫兹肖特基二极管的热效应，然后在后续太赫兹固态电路设计过程中，就可以将热效应纳入倍频器的谐波平衡仿真中，以此提高太赫兹固态电路仿真优化的准确度，让仿真优化结果更接近于实际使用状况。
21.实施例2：本技术实施例提供了一种电热模型，用于太赫兹肖特基二极管，如图2和图3所示，图中，v(t)是加载电压，i(t)是工作电流，是肖特基结阳极与阴极间的总电压，是阴极阳极间总电流，是阴极和阳极间总电荷，是阴极和阳极间级联电阻，电热模型包括电子学模型和实施例1中的热力学模型，所述电子学模型包括电子电流源、电荷源和级联电阻，所述电子电流源与级联电阻串联，所述电荷源与电子电流源并联，电子学模型用于输出耗散功率。
22.在需要进行太赫兹固态电路仿真时，提取太赫兹肖特基二极管的spic参数，然后基于spic参数建立太赫兹肖特基二极管的电子学模型，电子学模型包括电子电流源、电荷源和级联电阻，基于电子学模型可以输出得到太赫兹肖特基二极管的耗散功率；然后太赫兹肖特基二极管的耗散功率等效为热力学模型中的等效电流源（热力学模型基于spic参数建立得到），然后基于热力学模型可以输出得到太赫兹肖特基二极管的等效热电阻，并依据等效热电阻可以计算得到太赫兹肖特基二极管的阳极结温度；然后，将太赫兹肖特基二极管的阳极结温度再次代入到电子学模型中，就可以对太赫兹肖特基二极管进行仿真优化，以获得基于热效应影响下太赫兹肖特基二极管的工作状态和性能表现，对太赫兹肖特基二极管的研究分析，提高倍频器分析仿真准确性具有重要意义。
23.实施例3：本技术实施例提供了一种温度预测方法，用于太赫兹肖特基二极管阳极温度预测，基于实施例1中的热力学模型或实施例2中的电热模型，包括以下步骤，步骤y100，获取太赫兹肖特基二极管的耗散功率；在一些实施例中，可以通过太赫兹肖特基二极管的spic参数建立太赫兹肖特基二极管的电子学模型，并通过电子学模型输出得到太赫兹肖特基二极管的耗散功率；步骤y200，将耗散功率等效为热力学模型中的等效电流源，然后通过热力学模型得到等效热电阻；步骤y300，将等效热电阻代入阳极温度计算公式，，式中，为太赫兹肖特基二极管阳极的温度，为热力学模型初始环境温度；
得到太赫兹肖特基二极管阳极的温度。
24.在太赫兹固态电路中，肖特基二极管是太赫兹固态电路的核心器件，肖特基二极管由于频率与尺寸共渡效应，建模精度需求较高，寄生参数影响较大；而申请人在实现本发明的过程中发现，当输入信号加载到肖特基二极管对时，一部分输入功率被传化为频率倍增（倍频器）或频率变换（混频器）后的输出功率，其余的输入功率会转化成热量在二极管的阳极处耗散，引起阳极附近区域的温度上升并导致电路性能的恶化，而随着工作频率的上升，肖特基二极管的阳极面积不断减小，热效应愈发明显，逐渐成为限制二极管性能和电路最大承载功率的重要因素；同时，当前随着毫米波技术的成熟，太赫兹固态电路的输入功率不断提高，因此，通过本实施例方法来准确预测太赫兹肖特基二极管阳极温度，以此展开热效应对太赫兹肖特基二极管工作状态和性能的影响研究，对提高太赫兹固态电路分析仿真准确性具有重要意义。
25.具体地，在步骤y300中，环境温度为常温。
26.具体地，所述温度预测方法基于商用仿真软件进行建模预测，具体可以采用ansys公司的workbench软件进行建模分析。
27.实施例4：本技术实施例提供了一种倍频器仿真方法，用于太赫兹频段，如图4所示，基于实施例1中的热力学模型或实施例2中的电热模型，包括以下步骤，步骤s100，获取倍频器中太赫兹肖特基二极管的电路参数；步骤s200，基于电路参数建立太赫兹肖特基二极管的电子学模型，得到初步电子学模型，初步电子学模型的环境温度为常温；步骤s300，通过初步电子学模型输出得到耗散功率，将耗散功率等效为等效电流源代入热力学模型中，得到等效热电阻；将等效热电阻代入阳极温度计算公式，，式中，为太赫兹肖特基二极管阳极的温度，为热力学模型初始环境温度；得到太赫兹肖特基二极管阳极的温度；步骤s400，将温度代入初步电子学模型中，对赫兹肖特基二极管进行仿真优化，得到太赫兹肖特基二极管的优化电路参数；步骤s500，基于太赫兹肖特基二极管的优化电路参数和倍频器的s参数，进行整体电路仿真。
28.当工作频率上升至太赫兹频段，器件寄生参量的影响加剧，需要分别建立相应电磁模型和电路模型，引入器件阳极尺寸变化、各结构材料特性变化等因素，以获得高精度的
器件模型；而太赫兹固态电路的仿真优化常采用“场-路”结合的仿真方法，将三维电磁仿真与谐波平衡仿真结合使用，但在过去的太赫兹固态电路研究中，电路中的热效应往往被忽视，以致仿真结果准确性差；而在本实施例中，在进行太赫兹倍频器仿真优化时，先建立倍频器的结构，根据选择的倍频二极管，提取太赫兹肖特基二极管的spic参数，然后建立三维电磁仿真模型和热力学模型，由电子学模型输出太赫兹肖特基二极管的耗散功率，将耗散功率等效为等效电流源代入热力学模型中，得到等效热电阻；将等效热电阻代入阳极温度计算公式，，式中，为太赫兹肖特基二极管阳极的温度，为热力学模型初始环境温度；得到太赫兹肖特基二极管阳极的温度；然后再将温度代入初步电子学模型中，对赫兹肖特基二极管进行仿真优化，得到太赫兹肖特基二极管的优化电路参数，相当于将二极管的热效应加入到仿真优化过程中，以获取热效应下，满足性能要求的太赫兹肖特基二极管的优化电路参数；然后再基于太赫兹肖特基二极管的优化电路参数和倍频器的s参数，进行整体电路仿真，让热效应加入到倍频器的整体电路仿真中，从而提高倍频器的仿真准确性，让仿真得到的倍频器能够更接近于实际使用状态。
29.具体地，基于倍频器结构进行无源电路仿真，得到倍频器的s参数。
30.具体地，基于太赫兹肖特基二极管的结构提取spic参数，以spic参数作为太赫兹肖特基二极管的电路参数。
31.具体地，在步骤s500中，通过整体电路仿真得到倍频器的性能数据，判断性能数据是否满足要求，在性能数据不能满足要求时，优化倍频器结构，然后基于优化后倍频器结构进行无源电路仿真，得到倍频器的优化s参数，再将优化s参数代入步骤500进行整体电路仿真。
32.在进行太赫兹倍频器设计时，可以先建立太赫兹倍频器的结构，然后进行无源电路仿真，查看得到的太赫兹倍频器s参数是否满足预期要求，若不满足要求，则对太赫兹倍频器的结构进行优化后再次进行仿真，直至太赫兹倍频器s参数达到预期要求；然后，根据选择的太赫兹肖特基二极管建立电子学模型和热力学模型，以获取太赫兹肖特基二极管的阳极温度和在阳极温度下的优化电路参数；然后再基于太赫兹肖特基二极管的优化电路参数和倍频器的s参数，进行整体电路仿真，让热效应加入到倍频器的整体电路仿真中，判断太赫兹倍频器的性能是否满足要求，若不满足要求，则返回对太赫兹倍频器的结构进行优化，若太赫兹倍频器的性能达到要求，则完成对太赫兹倍频器的设计。
33.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。