高功率微波器件及熱效應(yīng)分析軟件設(shè)計.pdf

1、隨著電磁理論的發(fā)展和計算機(jī)性能的不斷提高，計算電磁學(xué)在最近幾年得到長足的發(fā)展。其中時域有限差分方法(FDTD)是一種時域計算方法，在解決非均勻介質(zhì)，任意形狀和復(fù)雜結(jié)構(gòu)電磁問題中非常突出。它的這些優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用和重視。高功率微波(HPM)在國防、科學(xué)研究及民用領(lǐng)域的應(yīng)用和需求的推動下得到了迅猛的發(fā)展。在高功率微波作用下，半導(dǎo)體器件的失效問題一直困擾著人們。高功率器件研究追求高的輸出功率，向易于實(shí)際應(yīng)用方面發(fā)展。計算電磁學(xué)為分析

2、高功率微波器件以及半導(dǎo)體器件的失效機(jī)理提供了一條有效的途徑。 本文采用Visual C++編程語言編程，設(shè)計高功率微波器件和分析高功率效應(yīng)軟件。如果介質(zhì)的介電特性不隨溫度和時間變化，微波器件直接采用FDTD計算。如果介電特性會隨著溫度或時間變化，把反應(yīng)時間分成很多小段，在每個小時間段內(nèi)，把介質(zhì)的溫度，介電系數(shù)和電導(dǎo)率看成常數(shù)，用FDTD算法計算器件內(nèi)的電磁場分布，再利用所得電磁場分布算出功率分布和每個網(wǎng)格點(diǎn)的溫度分布來分析器件的

3、高功率效應(yīng)，最后用所得結(jié)果修改介質(zhì)參數(shù)重復(fù)以上步驟。這個過程實(shí)際上是用時域有限差分法并結(jié)合蛙跳技術(shù)，聯(lián)合求解Maxwell方程組和熱傳導(dǎo)方程.為了驗(yàn)證軟件的正確性，用本軟件分析了兩個實(shí)例。第一個實(shí)例是用遺傳算法調(diào)用該軟件分析設(shè)計了高功率微波同軸阻抗變換器。通過同軸線內(nèi)導(dǎo)體的漸變，可以實(shí)現(xiàn)阻抗變換，內(nèi)導(dǎo)體漸變可以采用多項(xiàng)式，余弦，指數(shù)等函數(shù)形式。用FDTD方法計算同軸線的反射系數(shù)，以同軸線內(nèi)導(dǎo)體漸變段的長度和反射系統(tǒng)達(dá)到最小為目標(biāo)，采用遺

4、傳算法優(yōu)化漸變段的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在工作頻率3GHz下，得到了反射系數(shù)0.015，漸變長度148mm的同軸線阻抗變換結(jié)構(gòu)。為了提高計算效率，遺傳算法優(yōu)化計算在一套具有16節(jié)點(diǎn)的Beowulf型并行計算機(jī)系統(tǒng)上采用主從式并行計算技術(shù)完成。本軟件的計算結(jié)果同有限元計算結(jié)果一致。第二個實(shí)例是用該軟件模擬了燒杯中的水的微波加熱過程，記錄了水中心點(diǎn)溫度隨時間的變化，其變化規(guī)律同實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。兩個實(shí)例表明該軟件能夠用來設(shè)計高功率微波器件和進(jìn)行熱效應(yīng)分析。