複合多層耦合係數精確計算方法
2023-09-16 06:01:40 5
專利名稱：複合多層耦合係數精確計算方法
技術領域：
本發明涉及一種耦合係數的計算方法，特別是涉及一種複合多層耦合係數精確計算方法。
背景技術：
小型化表面貼裝微波無源電路系列產品主要包括功分器、耦合器、90度電橋等，滿足無線通信、導航、雷達等電子設備的需求，具有廣闊的市場前景。當耦合器的耦合度選擇在3dB附近則可以實現3dB電橋。當耦合度為3dB時，直通損耗頻率響應和耦合度頻率響應相切，此時可以在較窄的頻段滿足幅度平衡的要求；當取耦合度為2. 7dB，可容忍的幅度平衡達到±0. 35dB時，實現電橋的頻率帶寬可以增加到66%，即一個倍頻程。耦合度從一 2. 7dB 3dB直接進行選擇，耦合度和直通損耗交迭部分逐漸變小，帶寬縮小，但幅度平衡進一步改善，可以滿足不同帶寬不同幅度平衡的要求。由於採用單級對稱結構，耦合器和電橋的相位關係均為90度，而且與頻率無關，因此電橋和耦合器均可以實現90度相位關係，這在電橋技術要求中是關鍵的。弱耦合通常採用導體錯開的方法降低耦合，由於表面貼裝器件體積較小，故在電路中採用摺疊方式縮小體積，但在摺疊時，相互之間的耦合會嚴重擾亂傳輸線的耦合，甚至不能實現摺疊。耦合器和電橋必須採用重疊耦合的方法，也就是耦合導體必須是重疊的。實現3dB耦合時，採用較薄的中間介質，以實現強耦合；實現IOdB耦合時，採用較厚的中間介質，通過介質介電常數和厚度的合理選擇，以實現弱耦合；實現20dB耦合時，在耦合導體之間用地形成耦合窗口，通過調整耦合窗口的寬度實現不同的耦合度。對於低頻段產品，耦合線較長，必須將帶狀線按垂直結構進行重複分布，層與層間採用地實施隔離，地通過邊沿金屬化與最外層的地連接在一起，耦合線分布在多層上實現，層與層之間採用內埋連接孔。一些商用軟體可以綜合寬邊耦合器的耦合度，但是由於工藝上必須採用邦定膠，邦定膠的厚度和中央薄介質的厚度相比擬，介電常數與聚四氟乙烯不一致，或者是為解決非TEM波耦合問題提高隔離度，中央薄介質和兩側的介質必須採用不同材料，這種情況下，耦合器和電橋存在不均勻介質的耦合度精確計算問題，採用傳統的耦合係數計算軟體和方法無法實現複合多層耦合係數的精確計算。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種採用FEM方法對複合多層耦合器的耦合度進行精確計算的複合多層耦合係數精確計算方法，克服耦合器和電橋存在不均勻介質、其耦合度無法精確計算，傳統耦合係數計算方法複雜、效率低、準確度低、可靠性差等問題。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的複合多層耦合係數精確計算方法，它包括以下步驟
S1:通過邊界條件和FEM方法計算出複合多層耦合器耦合導體之間的儲能關係； 52:獲得傳輸線的電容陣；
53:獲得有限元網格劃分結構；
54:得到耦合度和特性阻抗隨耦合線寬度變化的FEM對應關係；
55:得出複合多層耦合器的耦合係數。進一步地，步驟SI中所述的利用FEM方法計算出複合多層耦合器耦合導體之間的儲能關係的步驟包括以下子步驟
(O剖分將要分析問題的定義域進行分割，離散成有限個分割單元的集合，分割單元的形狀在原則上是任意的，二維問題一般採用三角形單元或矩形單元，三維空間問題一般採用四面體或多面體等，每個單元的頂點成為節點；
(2)單元分析進行分片插值，將分割單元中任意點的未知函數用該分割單元中形狀函數及離散網格點上的函數值展開，建立一個線性插值函數；
(3)求解近似變分方程把連續體離散成有限個分割單元，連續體的單元是指定形狀的單元體，每個單元的場函數是只包含有限個待定節點參量的簡單場函數，根據能量方程或加權殘量方程建立有限個待定參量的代數方程組，求解此離散方程組，得到有限元法的數值解。進一步地，指定形狀的單元體包括三角形、四邊形、四面體、五面體和六面體的單元體。優選地，在解決雙變量平面問題時，將連續體劃分為三角形單元體。FEM是Finite Element Method的縮寫，譯為有限單元法，其實際應用中往往被稱為有限元分析(FEA)，是一個數值方法解偏微分方程。FEM是一種高效能、常用的計算方法，它將連續體離散化為若干個有限大小的單元體的集合，以求解連續體問題。有限元法在早期是以變分原理為基礎發展起來的，所以它廣泛地應用於以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類物理場中(這類場與泛函的極值問題有著緊密的聯繫)。自從1969年以來，某些學者在流體力學中應用加權餘數法中的迦遼金法(Galerkin)和最小二乘法等同樣獲得了有限元方程，有限元法可應用於以任何微分方程所描述的各類物理場中，而不再要求這類物理場和泛函的極值問題有所聯繫。有限單元法的基本思想是由解給定的泊松方程化為求解泛函的極值問題。 有限單元法最早可上溯到20世紀40年代，Courant第一次應用定義在三角區域上的分片連續函數和最小位能原理來求解St. Venant扭轉問題。現代有限單元法的第一個成功的嘗試是在1956年，Turner和Clough等人在分析飛機結構時，將鋼架位移法推廣應用於彈性力學平面問題，給出了用三角形單元求得平面應力問題的正確答案。1960年,Clough進一步處理了平面彈性問題，並第一次提出了有限單元法，使人們認識到它的功效。我國著名力學家，教育家徐芝綸院士首次將有限元法引入我國，對它的應用起了很大的推動作用。本發明的有益效果是
(1)首次將有限元法應用於複合多層耦合器耦合係數的計算中，解決了耦合器和電橋存在不均勻介質、其耦合度無法精確計算的一大難題，而且可適用於包括單傳輸線和多傳輸線，任意形狀、任意填充等特殊場合；
(2)有限元法可以適用於非常複雜的研究區域，而且具有高效、通用性強、應用廣泛等特點；(3)基於FEM的複合多層耦合器耦合係數的計算方法實施起來十分簡便，而且耦合係數的計算速度快、效率高，精確度高，可靠性好。
圖1為稱合器偶模電磁場分布不意 圖2為耦合器奇模電磁場分布示意圖；
圖3為耦合結構等效電路 圖4為偶模激勵時的耦合結構示意 圖5為奇模激勵時的耦合結構示意 圖6為本發明耦合係數精確計算方法的流程 圖7為傳輸線的電容陣結構示意 圖8為有限元網格劃分示意 圖9為耦合度和特性阻抗隨耦合線寬度變化的FEM結果曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護範圍不局限於以下所述。耦合器偶模電磁場分布如圖1所示，耦合器奇模電磁場分布如圖2所示，耦合結構等效電路圖如圖3所示，圖4為偶模激勵時的耦合結構，圖5為奇模激勵時的耦合結構，其中，電容表示耦合電路中單位長度下分布的自電容Ca和互電容C；。有
權利要求
1.複合多層耦合係數精確計算方法，其特徵在於它包括以下步驟 51:通過邊界條件和FEM方法計算出複合多層耦合器耦合導體之間的儲能關係； 52:獲得傳輸線的電容陣； 53:獲得有限元網格劃分結構； 54:得到耦合度和特性阻抗隨耦合線寬度變化的FEM對應關係； 55:得出複合多層耦合器的耦合係數。
2.根據權利要求1所述的複合多層耦合係數精確計算方法，其特徵在於所述的步驟SI包括以下子步驟 (1)剖分將要分析問題的定義域進行分割，離散成有限個分割單元的集合； (2)單元分析進行分片插值，將分割單元中任意點的未知函數用該分割單元中形狀函數及離散網格點上的函數值展開，建立一個線性插值函數； (3)求解近似變分方程把連續體離散成有限個分割單元，連續體的單元是指定形狀的單元體，每個單元的場函數是只包含有限個待定節點參量的簡單場函數，根據能量方程或加權殘量方程建立有限個待定參量的代數方程組，求解此離散方程組，得到有限元法的數值解。
3.根據權利要求2所述的複合多層耦合係數精確計算方法，其特徵在於所述的指定形狀的單元體包括三角形、四邊形、四面體、五面體和六面體的單元體。
4.根據權利要求3所述的複合多層耦合係數精確計算方法，其特徵在於所述的指定形狀的單元體為三角形單元體。
全文摘要
本發明公開了一種複合多層耦合係數精確計算方法，它包括以下步驟(1)通過邊界條件和FEM方法計算出複合多層耦合器耦合導體之間的儲能關係；(2)獲得傳輸線的電容陣；(3)獲得有限元網格劃分結構；(4)得到耦合度和特性阻抗隨耦合線寬度變化的FEM對應關係；(5)得出複合多層耦合器的耦合係數。本發明將有限元法應用於複合多層耦合係數的計算中，解決了耦合器和電橋存在不均勻介質、其耦合度無法精確計算的問題，而且可適用於任意形狀、任意填充等特殊場合；有限元法可以適用於非常複雜的研究區域，具有高效、通用性強、應用廣泛等特點；計算方法實施起來十分簡便，而且耦合係數的計算速度快、效率高，精確度高，可靠性好。
文檔編號G06F19/00GK103020475SQ20121058252
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者吳永清, 邵高強 申請人:成都泰格微電子研究所有限責任公司