一种电接触互调及谐波效应的时域有限差分数值仿真方法

本发明属于微波部件无源互调和谐波效应领域，具体涉及一种电接触互调及谐波效应的时域有限差分数值仿真方法。

背景技术：

1、由于寄生非线性引起的微波部件无源互调和谐波效应是移动通信设备高质量运行面临的主要可靠性问题之一。建立解析计算和数值仿真方法，以揭示不同微波部件中无源互调和谐波信号的产生机理和传输规律，是进行低互调和低谐波器件设计的基础。众所周知，微波部件中的电接触是无源互调和谐波效应的一个主要来源。例如波导法兰连接、同轴连接、腔体滤波器和网状天线中的电接触是其无源互调效应的主要来源，手机弹片连接中的电接触引起的谐波效应是手机辐射杂散的一种主要来源。为了在微波部件电性能设计的同时能够兼顾低互调和低谐波设计，建立微波部件的无源互调和谐波效应仿真评估方法，具有重要的应用价值。

2、目前，基于微观结构分析和建模，在一定程度上，已经可以采用数学模型描述电接触结构的接触阻抗以及非线性j-v(电流密度-电压)特性与接触界面微观形貌、氧化层特性、接触压力等的关系。然而，获得微观接触界面接触阻抗以及非线性j-v关系之后，还必须建立其与宏观微波部件端口所产生的无源互调和谐波电平之间的关系。传统基于偶极子等效及其他等效模型的近似假设，可以一定程度上获得微波部件无源互调和谐波与微波部件结构之间关系的计算方法。然而将传统分析方法应用于复杂结构，例如滤波器和mimo天线等微波部件时，其准确性往往难以评估。众所周知，时域有限差分法是计算电磁学中应用极为广泛的数值仿真方法之一。然而如何利用时域有限差分法进行微波部件无源互调和谐波电平仿真，还未得到解决。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供了一种电接触互调及谐波效应的时域有限差分数值仿真方法，该方法能够实现对复杂结构微波部件电接触非线性无源互调和谐波效应进行准确数值计算。

2、本发明采用如下技术方案来实现的：

3、一种电接触互调及谐波效应的时域有限差分数值仿真方法，包括以下步骤：

4、1)对待求微波部件模型进行空间离散和时间离散：磁场节点和电场节点空间排布采用yee网格元胞结构，并确定接触界面所在的yee网格元胞单元位置；磁场分量的时间步取值为n+1/2，对应电场分量的时间步取值为n+1；yee元胞在x、y和z方向的尺寸分别为δx、δx和δz；时间步长为δt；

5、2)设置时域载波激励源：无源互调计算时采用双载波、多载波或调制信号波形；谐波计算时采用单载波或调制信号时域激励波形；

6、3)在n+1/2时间步更新磁场分量：将磁场分量分解为线性部分hx0、hy0和hz0，以及非线性部分hxp、hyp和hzp，其中角标中的x、y、z分别代表三个方向上的分量；线性部分和非线性部分的更新均采用麦克斯韦旋度方程差分算法计算；

7、4)计算流过接触界面所在yee网格单元的线性电流：

8、对接触界面法线方向为x方向情况，计算流过网格x方向的线性电流分量ix0：

9、

10、其中i、j和k分别代表沿x、y和z方向的空间位置离散坐标；

11、对接触界面法线方向为y方向情况，计算流过网格y方向的线性电流分量iy0：

12、

13、对接触界面法线方向为z方向情况，计算流过网格z方向的线性电流分量iz0：

14、

15、5)计算流过接触界面所在yee网格单元的非线性部分电流密度：

16、对接触界面法线方向为x方向情况，计算流过接触界面所在网格x方向的非线性电流密度分量jxp：

17、

18、

19、其中vc为接触结压降，zc,s为接触界面单位面积阻抗，f()代表接触界面非线性j-v关系；

20、对接触界面法线方向为y方向情况，计算流过接触界面所在网格y方向的非线性电流密度分量jyp：

21、

22、

23、对接触界面法线方向为z方向情况，计算流过接触界面所在网格z方向的非线性电流密度分量jzp：

24、

25、

26、6)在n+1时间步更新电场分量：将电场分量分解为线性部分ex0、ey0和ez0，以及非线性部分exp、eyp和ezp；线性部分分量ex0、ey0和ez0的更新采用传统麦克斯韦旋度方程差分算法计算，非线性部分分量exp、eyp和ezp采用如下公式计算；

27、对接触界面法线方向为x方向情况，接触界面所在网格x方向的非线性部分电场分量exp采用如下方程更新：

28、

29、其中系数：

30、

31、

32、

33、

34、其中hx0、hy0和hz0分别代表h在x、y和z三个方向上分量解的线性部分；hxp、hyp和hzp分别代表h在x、y和z三个方向上分量解的非线性部分；εx和σxe的分别代表介电常数和电导率在x方向分量的大小；

35、对接触界面法线方向为y方向情况，接触界面所在网格y方向的非线性部分电场分量eyp采用如下方程更新：

36、

37、其中系数：

38、

39、

40、

41、

42、其中εy和σye的分别代表介电常数和电导率在y方向分量的大小；

43、对接触界面法线方向为z方向情况，接触界面所在网格z方向的非线性部分电场分量ezp采用如下方程更新：

44、

45、其中系数：

46、

47、

48、

49、

50、其中εz和σze的分别代表介电常数和电导率在z方向分量的大小；

51、7)令n＝n+1，重复执行步骤3)～6)直至迭代完成；

52、8)提取微波部件端口处的电场和磁场分量的非线性部分，进行变换以及后处理，得到无源互调和谐波电平。

53、本发明进一步的改进在于，步骤3)和步骤6)中电场和磁场中的线性部分和非线性部分分别计算。

54、本发明进一步的改进在于，采用时域仿真方法，将接触界面视作二次激励源，并且激励源的大小受到线性场分量控制。

55、本发明进一步的改进在于，通过计算该受控二次激励源作用下的非线性场分布，最终得到无源互调和谐波电平。

56、本发明进一步的改进在于，步骤4)中流过接触界面的线性电流的各个分量ix0、iy0和iz0的取值所在的yee元胞节点分别与ex0、ey0和ez0取值的空间位置重合。

57、本发明进一步的改进在于，步骤5)中zc,s采用实际测量的金属接触界面单位面积的接触电阻值近似；f()代表扣除线性部分贡献的流过接触界面电流密度和接触界面两端压降的函数关系。

58、本发明进一步的改进在于，步骤5)中接触结压降vc由流过接触界面的线性电流和接触界面单位面积阻抗zc,s确定。

59、本发明进一步的改进在于，步骤5)中zc,s和f()为接触界面压强和温度的函数，用于计算压强和温度对电接触互调及谐波效应的影响。

60、本发明进一步的改进在于，步骤8)中进行fft或prony变换以及后处理，得到无源互调和谐波电平。

61、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

62、本发明采用时域仿真方法，将接触界面视作二次激励源，并且激励源的大小受到线性场分量控制。通过计算该受控二次激励源作用下的非线性场分布，最终得到无源互调和谐波电平。为如何利用微观接触界面非线性计算宏观微波部件无源互调和谐波效应，提供了一种准确的全波电磁仿真方法。该计算方法编程简单，并且可以嵌入到传统时域有限差分法电磁计算程序中，能够实现微波部件传统电性能计算的同时，进行接触非线性无源互调和谐波效应评估。