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基于矢量有限元法的热沉结构电磁辐射研究

电子学报 2009年第11期37卷 2439-2443页

作者：石峥杜平安聂宝林电子科技大学机械电子工程学院四川成都610054

高频、高功率芯片工作时会产生大量的热,热沉可以有效地帮助芯片散热.然而在高频环境下,热沉往往成为主要的电磁辐射源,降低了整个系统的电磁兼容能力,所以有必要对热沉的电磁辐射特性进行研究.本文采用矢量有限元法,从不同的接地方式... 详细信息

高频、高功率芯片工作时会产生大量的热,热沉可以有效地帮助芯片散热.然而在高频环境下,热沉往往成为主要的电磁辐射源,降低了整个系统的电磁兼容能力,所以有必要对热沉的电磁辐射特性进行研究.本文采用矢量有限元法,从不同的接地方式、散热鳍片数目及厚度变化、鳍片高度变化几个方面分析了热沉的电磁辐射特性,提出了影响谐振频率的关键因素,并从电磁兼容角度提出了热沉设计的注意事项.数值仿真表明,合理的选择接地方式可以有效地提高谐振频率,降低电磁能量辐射;散热鳍片的数目和厚度变化对于谐振频率和电磁辐射没有明显的影响,然而鳍片的高度对于电磁辐射能量影响显著.

关键词：矢量有限元法热沉鳍片电磁辐射散射参数

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脊加载椭圆波导传输特性的矢量有限元法分析

电波科学学报 2009年第6期24卷 1164-1167页

作者：周平淮阴师范学院物理与电子电气工程学院江苏淮安223001

采用矢量有限元法对脊加载椭圆波导的传输特性进行了分析,编程计算了圆形脊、梯形脊和三角形脊分别加载在椭圆短轴和长轴上波导的截止频率。结果表明:脊加载在椭圆长轴上,大大减小了单模带宽,因此这种结构可作为有效的脊带宽滤波器。

关键词：椭圆波导本征值脊加载矢量有限元法

基于非结构矢量有限元法的地磁测深三维各向异性正演研究

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基于非结构矢量有限元法的地磁测深三维各向异性正演研究

作者：王宁吉林大学

学位级别：硕士

地磁测深是一种以磁层和电离层中电流为激励源,利用地磁台站或卫星接收的长周期电磁信号对地球深部结构构造以及物质成分进行研究的地球物理电磁方法。多年来,探索地球深部结构及物质循环规律一直是科学界的难点和热点问题。由于电导率... 详细信息

地磁测深是一种以磁层和电离层中电流为激励源,利用地磁台站或卫星接收的长周期电磁信号对地球深部结构构造以及物质成分进行研究的地球物理电磁方法。多年来,探索地球深部结构及物质循环规律一直是科学界的难点和热点问题。由于电导率对温度、物质相态和含水量十分敏感,全球尺度的地磁测深研究已成为探究地球深部结构的重要手段。已有研究结果表明地球内部具有显著的横向不均匀性,因此一维地磁测深方法不再满足研究需求,三维地磁测深正反演逐渐成为重点研究方向。然而,无论一维还是三维正演,现有研究主要基于各向同性介质模型,对各向异性模型的研究仍处于空白状态。地球深部复杂的构造运动和物质相变很难保证介质处于各向同性状态,甚至物质组成与地质演化过程同电导率各向异性之间存在联系,并且已有相关研究证明地球深部存在明显的各向异性现象,故而开展地磁测深各向异性三维正演研究对人类进一步了解板块运动、造山活动、地震和火山活动、深部结构与演化、软流圈性质和地幔热化学状态等具有重要意义。本文基于非结构四面体网格和矢量有限元法进行了地磁测深三维各向异性正演研究。非结构四面体网格能够精确和灵活地刻画地球内部的不规则异常体以及复杂的海陆边界,能够进行任意局部加密。矢量有限元法采用定义在棱边上的矢量基函数,能够保证电场在电性界面处的切向连续性与法向不连续性,同时满足散度条件,确保正演问题不产生伪解。本文以磁层赤道环电流作为激励源,将其产生的一次磁场作为边界条件加入方程。全球尺度的电磁正演问题非常复杂,方程自由度通常达到千万级规模,在这种情况下利用直接求解器或传统的迭代方法很难求解。因此,本文采用预条件迭代求解器解决超大型线性方程组求解问题。为了降低电场双旋度方程的条件数,加快收敛速度,本文将复数方程组转化为等效的实数方程组,引入块状对角预条件对线性方程组进行预处理,并采用灵活的广义最小残差法进行求解。在内层迭代中,本文基于附属空间预条件和共轭梯度法进行求解,使相对残差范数下降至小于10,即可确保整体迭代收敛。通过与前人研究成果对比,验证了本文研发的算法满足精度要求,证明了算法的准确性。进而,在实现高精度正演的同时,本文算法的计算效率更高,内存需求也更少。其次,本文根据理论算例分析了各向异性对地磁测深响应的影响特征。同时,基于全球近地表电导分布模型模拟了全球尺度的电磁响应并分析了海洋效应的影响。最后,本文设计了俯冲带模型,分别模拟了各向同性与各向异性情形下俯冲带模型的响应。由计算结果可知,地磁测深响应能够反映深部电性结构异常,具有比大地电磁法更大的探测深度,在对俯冲带、地幔柱、地幔转换带等深部结构的研究中具有巨大潜力。本文研究为高精度、高效率的大尺度地磁测深各向异性反演提供了理论支撑和算法支持,同时也为基于各向异性反演的地球动力学研究及深部物质构成等问题的分析奠定了基础。

关键词：电磁勘探地磁测深矢量有限元法正演模拟各向异性

基于矢量有限元法的波导和谐振腔本征值问题研究

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基于矢量有限元法的波导和谐振腔本征值问题研究

作者：钟汝能云南师范大学

学位级别：硕士

矢量有限元法(Vector Finite Element Method)也称棱边有限元法(Edge-based Finite Element Method),是计算电磁场数值问题的一种有效方法,它与传统的标量有限元方法(Node-based Finite Element Method)既有联系又有区别。截至目前,矢... 详细信息

矢量有限元法(Vector Finite Element Method)也称棱边有限元法(Edge-based Finite Element Method),是计算电磁场数值问题的一种有效方法,它与传统的标量有限元方法(Node-based Finite Element Method)既有联系又有区别。截至目前,矢量有限元法仍处于不断发展完善之中。本文在综合介绍VFEM的基本原理的基础上,分析了它与标量有限元法的联系与区别,详细给出了VFEM的二维、三维矢量基函数的构造及单元矩阵的计算过程,给出了用VFEM方法计算电磁学问题的处理过程和相关公式。为了研究矢量有限元方法的计算精度、有效性和它在消除非物理解、几何模拟等方面的优势,用VFEM方法计算了矩形金属波导、三角形金属波导、L型和脊型波导的本征值,并与理论值及相关文献所报道的其它数值方法计算的结果进行了比较;计算了矩形金属谐振腔、圆柱体谐振腔、球形谐振腔、多面体谐振腔各模式的截止频率,给出了部分模式的模场分布。结果表明：在矢量有限元中,可以用较少的单元获得较高的精度,具有较强的几何结构模拟能力且能有效地解决传统有限元法中出现的“伪模”问题。另外,还对槽结构谐振腔、圆柱体腔中加载介质圆棒、介质圆盘和矩形腔中加载矩形介质块等复杂结构腔体进行了本征值分析和模场仿真。

关键词：矢量有限元法波导谐振腔本征值

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基于矢量有限元法的光纤光场分布研究

基于矢量有限元法的光纤光场分布研究

作者：许杰田兰州交通大学

学位级别：硕士

在现代社会,发达国家将光纤接入到户,甚至延伸到用户电脑终端,正在逐步实现真正意义上的全光网络。光纤是光通信系统中最基本的传输物理介质,所以对光纤中光场分布的研究是非常重要的。通过得到的光场分布图,可以进一步分析光纤中的模... 详细信息

在现代社会,发达国家将光纤接入到户,甚至延伸到用户电脑终端,正在逐步实现真正意义上的全光网络。光纤是光通信系统中最基本的传输物理介质,所以对光纤中光场分布的研究是非常重要的。通过得到的光场分布图,可以进一步分析光纤中的模场结构、传输常数、传输或截止条件、传输功率和模式数量等特性。这样就可以在理论的基础上,形象直观的了解光纤的传输特性。矢量有限元法是一种广泛应用于电磁工程问题计算的数值方法,但用于光纤光场分布研究的报导却很少见。本文将引入这种方法用于光纤光场分布的计算。本文首先全面回顾了光纤分析方法的发展历程,综述了矢量有限元方法的国内外发展动态、最新研究成果及其特点和应用。研究了光纤光场模式理论,给出了光波场的数学表示方法。接着从光纤矢量波动方程出发,求解得出了光纤矢量解的特征方程;在此基础上,分析讨论了光场模式的分类;研究了光纤中实际传输的线性偏振模、以及LPmn各模的光电场分布,并给出了光场模式参数。全面分析了阶跃型和渐变型多模光纤、以及常见单模光纤的主要技术规范和典型特性。对光纤的衰减、色散和非线性光学效应进行了讨论;研究给出了单模光纤、SI多模光纤和GI多模光纤的衰减谱,以及几种常见单模光纤的色散谱。本文还研究了矢量有限元法的基本原理,介绍了矢量有限元法的变分原理、求解过程;分析构造了矩形块和四面体单元的矢量基函数。然后从全电场矢量泛函出发,研究了无源的轴向各向异性介质填充区域的矩形块单元矩阵、以及无源的各向同性均匀介质填充区域的四面体单元矩阵,且分别进行了求解计算。此外,研究构造了插值型三角形高阶矢量有限元和四面体高阶矢量有限元。从光纤光场电矢量与磁矢量所满足的非齐次矢量波动方程出发,研究推导出了适用于无耗媒质问题的等价矢量泛函;根据广义变分原理定义新的矢量内积,研究给出了可用于有耗媒质问题计算的等价矢量泛函。然后建立了G.652光纤的理论模型,并进行了求解设置。采用四面体单元网格数值离散等价矢量泛函,数值模拟出了G.652光纤的光场电矢量分布、光场光强分布以及色散曲线,得到了与实际光纤参数相符合的结论,结果表明了矢量有限元法用于光纤光场分布研究的可行性和有效性。

关键词：矢量有限元法矢量基函数光纤光场分布

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特种截面波导截止波数的矢量有限元法分析

淮阴师范学院学报（自然科学版） 2010年第4期9卷 314-317,321页

作者：曹凤莲周平淮阴师范学院物理与电子电气工程学院江苏淮安223300

讨论了任意截面形状波导截止波数的矢量有限元分析方法,编制了一个通用的计算机程序,对几种特殊截面形状波导的截止波数进行了计算,结果与相关文献吻合.

关键词：波导截止波数矢量有限元法

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基于矢量有限元法的谐振腔通用模拟器设计

真空电子技术 2009年第6期22卷 34-37页

作者：叶珍杨中海徐立陈钢电子科技大学物理电子学院四川成都610054

开发了基于矢量有限元法的谐振腔通用计算模拟器。该模拟器包括前处理、有限元求解和后处理三部分。首先在前处理中进行三维实体建模和网格剖分,然后采用有限元方法生成矩阵并求解该矩阵,在后处理中计算谐振腔的任意本征频率,Q值及电磁... 详细信息

开发了基于矢量有限元法的谐振腔通用计算模拟器。该模拟器包括前处理、有限元求解和后处理三部分。首先在前处理中进行三维实体建模和网格剖分,然后采用有限元方法生成矩阵并求解该矩阵,在后处理中计算谐振腔的任意本征频率,Q值及电磁场分布。通过分别对几种不同介质包括各向异性介质加载下的谐振腔进行仿真求解,并将计算结果与商业电磁仿真软件HFSS进行对比,验证了模拟器的可行性以及仿真谐振腔的通用性。

关键词：矢量有限元法谐振腔各向异性介质模拟器

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基于矢量有限元法的微波谐振腔高频特性研究

电子科技 2010年第10期23卷 59-61页

作者：许杰田张猛李杰熊学友兰州交通大学自动化与电气工程学院甘肃兰州730070

采用矢量有限元法对聚四氟乙烯填充的矩形谐振腔进行了高频特性研究。通过数值计算得出主传输模TE101模的谐振波长以及对应的场分布。数值计算结果与实验测量结果基本一致,说明了该高频特性研究结果的可靠性。

关键词：矢量有限元法谐振腔高频特性

基于叠层型高阶矢量有限元法的微波管输入输出窗模拟器设计

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真空电子技术 2010年第6期23卷 32-35页

作者：叶珍徐立杨中海李斌电子科技大学大功率微波电真空器件技术国防科技重点实验室四川成都610054

开发了基于叠层型高阶矢量有限元法的微波管输入输出窗模拟器。该模拟器能够准确计算S参数,给出任意工作频点的场图,并能较目前常用的商业仿真软件缩短计算时间。叠层基函数的使用主要有以下两个优势:①有效地消除了伪解,提高了矩阵性态... 详细信息

开发了基于叠层型高阶矢量有限元法的微波管输入输出窗模拟器。该模拟器能够准确计算S参数,给出任意工作频点的场图,并能较目前常用的商业仿真软件缩短计算时间。叠层基函数的使用主要有以下两个优势:①有效地消除了伪解,提高了矩阵性态;②提高了效率,减少了CPU计算时间。通过对微波管中典型的50Ω同轴线输入、输出结构进行仿真求解,将得到的S参数与目前大型商业仿真软件HFSS与CST MWS的仿真结果进行比较,验证了窗模拟器计算的准确性;更重要的是证明了窗模拟器在仿真微波管输入、输出结构时间上的优势。

关键词：矢量有限元法输入输出窗叠层基函数微波管