復(fù)雜電磁邊界下基于曲線坐標(biāo)的保角變換法

張婧思,苗英愷,劉曉波,張安學(xué)

(1.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 710049, 西安;2.濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 457000, 河南濮陽(yáng))

?

復(fù)雜電磁邊界下基于曲線坐標(biāo)的保角變換法

張婧思1,苗英愷2,劉曉波1,張安學(xué)1

(1.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 710049, 西安;2.濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 457000, 河南濮陽(yáng))

針對(duì)具有復(fù)雜幾何邊界條件的二維均勻微波傳輸線中電磁場(chǎng)難以解析求解從而造成其設(shè)計(jì)困難的問(wèn)題,提出了一種基于曲線坐標(biāo)的保角變換法(CMM)。該方法基于二維傳輸線的橫電磁場(chǎng)(TEM)模型。首先利用保角變換將復(fù)雜傳輸線的邊界曲線映射為簡(jiǎn)單傳輸線的邊界曲線,建立復(fù)雜邊界傳輸線的曲線坐標(biāo);然后利用曲線坐標(biāo)把復(fù)雜邊界傳輸線所滿足的麥克斯韋方程轉(zhuǎn)換到簡(jiǎn)單邊界傳輸線中,形成兩種傳輸線間的電磁映射;最后論證了兩種傳輸線間電荷、電位分別對(duì)應(yīng)相等,由此得到了與傳輸特性緊密相關(guān)的復(fù)雜傳輸線的電容,進(jìn)而用以指導(dǎo)傳輸線的設(shè)計(jì)。由于以電位為中間量的傳統(tǒng)保角變換計(jì)算較為復(fù)雜,采用CMM方法直接從場(chǎng)出發(fā),省去了關(guān)于電位的中間計(jì)算過(guò)程,簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。仿真結(jié)果表明,不同尺寸下同軸線特征阻抗仿真值與理論值吻合得很好,驗(yàn)證了CMM方法的正確性。

微波傳輸線;曲線坐標(biāo);保角變換;麥克斯韋方程

在微波工程中,二維均勻微波傳輸線是許多微波電路實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。然而,對(duì)于各種邊界復(fù)雜、性能迥異的非常規(guī)傳輸線,直接求解其電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程卻幾乎難以實(shí)現(xiàn)。因此,精確分析與綜合設(shè)計(jì)這些微波傳輸線已成了相關(guān)人員面臨的迫切問(wèn)題。

目前對(duì)于此問(wèn)題的研究主要分為數(shù)值法和解析法。數(shù)值法是伴隨著近些年計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而活躍起來(lái)的,主要有時(shí)域有限差分法(FDTD)[1]、矩量法[2]等。FDTD基于麥克斯韋方程的時(shí)域差分形式,其優(yōu)點(diǎn)是適合于寬帶計(jì)算,計(jì)算時(shí)間短,但缺點(diǎn)是難以計(jì)算電大尺寸物體,對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求比較高;矩量法基于電磁場(chǎng)的變分原理,通過(guò)選擇一組基函數(shù)去近似真實(shí)的場(chǎng)分布,優(yōu)點(diǎn)是過(guò)程簡(jiǎn)單,求解步驟統(tǒng)一,應(yīng)用起來(lái)比較方便,但缺點(diǎn)是需要一定的數(shù)學(xué)技巧,如基函數(shù)與權(quán)函數(shù)的選取,同時(shí)為了達(dá)到所需要的計(jì)算精度,矩量法的計(jì)算任務(wù)也很繁重。解析法則主要有直接法、變分法[3]等。直接法即是求解電磁場(chǎng)所滿足的麥克斯韋方程,但這種方法由于邊界過(guò)于復(fù)雜,一般很少采用;變分法是建立某些參量的穩(wěn)定泛函,從而獲得該參量的解析閉式,其結(jié)果對(duì)于器件的綜合設(shè)計(jì)可以提供較好的指導(dǎo)作用,缺點(diǎn)是閉式的精度難以保證,與試探函數(shù)的選取有重要關(guān)系。此外,部分學(xué)者[4]嘗試?yán)媒┠臧l(fā)展起來(lái)的變換光學(xué)[5]解決此類問(wèn)題,通過(guò)坐標(biāo)變換將復(fù)雜邊界變換為規(guī)則邊界,而其他方法則一般需要在變換區(qū)域填充復(fù)雜介質(zhì),最后再利用數(shù)值方法進(jìn)行求解,因此可以算是一種半解析半數(shù)值的方法,雖由此降低了計(jì)算的難度,但缺點(diǎn)是仍不能獲得解析閉式。因此,問(wèn)題的關(guān)鍵在既能較精確地分析器件場(chǎng)分布,又能獲得一些參量較精確的解析閉式,用以指導(dǎo)器件的綜合設(shè)計(jì)。

針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出了一種基于曲線坐標(biāo)的保角變換(CMM)方法。首先,對(duì)于復(fù)雜傳輸線的的幾何邊界,總可以通過(guò)直線逼近,建立適當(dāng)?shù)谋＝亲儞Q,將其變換為簡(jiǎn)單傳輸線的幾何邊界;其次,保角變換法可以得到精確的解析結(jié)果,這對(duì)于器件的綜合設(shè)計(jì)具有重要意義;此外,對(duì)于傳統(tǒng)方法較難解決的性能迥異的非常規(guī)傳輸線問(wèn)題,采用CMM方法可以直接從場(chǎng)出發(fā),省去關(guān)于電位的中間計(jì)算過(guò)程,在保證計(jì)算精度的同時(shí),可有效節(jié)約計(jì)算資源。

1 理論模型

對(duì)于微波工程中具有復(fù)雜幾何邊界條件的二維傳輸線,分析傳輸線的場(chǎng)分布是傳輸線綜合設(shè)計(jì)的第一步,之后再利用分析結(jié)果指導(dǎo)傳輸線的設(shè)計(jì)。

首先,利用保角變換法求解復(fù)雜幾何邊界條件的二維傳輸線,以最簡(jiǎn)單的圓同軸為例進(jìn)行討論。同軸線截面和平行板截面模型如圖1所示,已知真空中圓同軸內(nèi)外半徑分別為a、b。該同軸線幾何邊界作保角變換映射為一有限長(zhǎng)度平行線(平行板),映射關(guān)系如下

(1)

式中:(x,y)為同軸線系統(tǒng)的直角坐標(biāo);(u,v)為同軸線系統(tǒng)的曲線坐標(biāo),同時(shí)也是平行板系統(tǒng)中的直角坐標(biāo)。

(a)同軸線截面 (b)平行板截面圖1 同軸線截面和平行板截面

為了分析同軸線中的場(chǎng)分布,首先假設(shè)同軸線中的場(chǎng)在直角坐標(biāo)系(x,y)中為如下形式

(2)

公式滿足真空中的麥克斯韋方程,式中Ex、Ey、Bx、By為同軸線中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在直角坐標(biāo)系(x,y)下的直角分量。

其次,為了建立同軸線與平行板中的場(chǎng)分布的映射關(guān)系,將上述同軸線中的場(chǎng)分布式(2)改寫在曲線坐標(biāo)系(u,v)中,此時(shí)有下式成立

(3)

式中:Eu、Ev、Bu、Bv是同軸線中的場(chǎng)分布在曲線坐標(biāo)系下的逆變分量,與直角分量存在如下關(guān)系

(4)

最后,將同軸線中的場(chǎng)分布代入真空中的麥克斯韋方程,并將其表示在曲線坐標(biāo)系(u,v)中,具體形式如下

(5)

式中:ρ1是電荷密度;j1是電流密度;g1/2是保角變換度規(guī)矩陣的行列式;Eu、Ev、Bu、Bv是同軸線中的場(chǎng)分布在曲線坐標(biāo)系下的協(xié)變分量,其中,Eu和場(chǎng)的逆變分量Eu存在關(guān)系Eu=g1/2Eu

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn),式(5)恰為平行板中直角坐標(biāo)(u,v)的場(chǎng)分布所滿足的二維麥克斯韋方程組。因此,可以得出平行板中的場(chǎng)源如下

(6)

至此,在保角變換的約束下,利用曲線坐標(biāo)從麥克斯韋方程出發(fā),建立了變換前后兩種傳輸線間的電磁映射關(guān)系,即同軸線中的場(chǎng)源總是可以用平行板中的場(chǎng)源進(jìn)行表示。

2 電容的計(jì)算

對(duì)于二維均勻微波傳輸線而言,可以通過(guò)場(chǎng)的方法(場(chǎng)模型)進(jìn)行求解分析。由于二維均勻微波傳輸線一般涉及橫電磁場(chǎng)(TEM),因此可以建立更為簡(jiǎn)單有效的電路模型,其中電路參數(shù)由場(chǎng)分布決定。對(duì)于傳輸線的電路模型而言,與其傳輸特性緊密相關(guān)的常數(shù)如衰減常數(shù)[6]和特征阻抗[7-11]都可以利用電容求得,而電容是與傳輸線的尺寸相關(guān)。因此,電容對(duì)于傳輸線的指導(dǎo)設(shè)計(jì)具有重要意義。

考慮到電容定義C=Q/V,其中Q為單位長(zhǎng)度傳輸線的電荷,V為傳輸線兩導(dǎo)體間的電壓,因此可以利用CMM方法建立單位長(zhǎng)度同軸線與平行板間電荷、電位的數(shù)學(xué)關(guān)系,從而得出兩傳輸線間的電容關(guān)系。

2.1 電荷的變換關(guān)系

為了求解兩傳輸線間的電荷關(guān)系,首先考慮變換前后兩傳輸線對(duì)應(yīng)的微小體積元中電荷的關(guān)系,對(duì)于兩者間對(duì)應(yīng)的任意微小體積元存在數(shù)學(xué)關(guān)系dxdy=g1/2du1du2,再利用變換前后兩傳輸線電荷密度的關(guān)系式(6)求解?？梢哉撟C:保角變換導(dǎo)致了傳輸線體積的變化和電荷密度的反比例變化,從而保證了電荷的變換相等。變換關(guān)系式如下

(7)

式中:dQ1是同軸線系統(tǒng)單位積元中的電荷;dQ2是平行板系統(tǒng)單位體積元中的電荷。

除此之外,還可以驗(yàn)證同軸系統(tǒng)中的電流連續(xù)性方程映射為平行板系統(tǒng)中的連續(xù)性方程,從側(cè)面說(shuō)明了映射后平行板系統(tǒng)中的電荷與電流之間是自洽的,沒(méi)有違背基本的電荷守恒定律。在同軸線中,電流連續(xù)性方程如下

(8)

如果將式(8)用同軸系統(tǒng)中的曲線坐標(biāo)系(u,v)表示,則有

(9)

顯然,式(9)恰為平行板系統(tǒng)中的電流連續(xù)性方程。至此得到了保角變換前后,單位長(zhǎng)度同軸與平行板電荷之間變換相等,同時(shí)也驗(yàn)證了映射后的平行板系統(tǒng)具有自洽性。

2.2 電位的變換關(guān)系

對(duì)于二維均勻傳輸線,由于其一般涉及TEM場(chǎng),而此電場(chǎng)是梯度場(chǎng),因此可以定義任意兩點(diǎn)間的電壓如下

V=∫E·dr

(10)

利用式(10),可以計(jì)算同軸線中任意兩點(diǎn)間的電位差V1與平行板中對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)間的電位差V2之間的關(guān)系。V1與V2的表達(dá)式如下

V1=∫Exdx+∫Eydy

(11)

V2=∫Eudu+∫Evdv

(12)

為論證V2與V1的關(guān)系,可以把V2表達(dá)式中的參量Eu、u等用同軸系統(tǒng)中的直角參量Ex、x等表示,并考慮到保角變換的柯西-黎曼條件,可將上式化簡(jiǎn)如下

(13)

最后,只需要利用下述雅可比行列式關(guān)系,就可化簡(jiǎn)式(13),建立起V2與V1的關(guān)系

(14)

計(jì)算可得

(15)

將式(15)代入式(13)可得

V2=∫Exdx+∫Eydy

(16)

至此,從上式可以得出結(jié)論:同軸系統(tǒng)中任意兩點(diǎn)與平行板系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)的電位差保持不變。

從電容的基本定義出發(fā),根據(jù)兩傳輸線間的電荷和電位的變換關(guān)系可以得出:單位長(zhǎng)度的同軸與平行板電容相等,即保角變換具有保電容性。這與之前的研究結(jié)論[12]是一致的。

對(duì)于工程實(shí)際所需要的傳輸線,可以從傳輸線參量如特征阻抗、衰減常數(shù)出發(fā),求得傳輸線的電容,最后再利用電容,求得傳輸線相應(yīng)的尺寸。

2.3 算例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文CMM方法的有效性,具體計(jì)算同軸線場(chǎng)分布及電容值。

首先,利用式(4)建立同軸系統(tǒng)場(chǎng)的直角分量與其在(u,v)曲線坐標(biāo)下的協(xié)變分量Eu、Ev之間的關(guān)系如下

(17)

其次,由于同軸線關(guān)于角度是周期的,因此在(u,v)直角平面可無(wú)限延伸,故而在平行板系統(tǒng)中,Eu、Ev作為平行板場(chǎng)的直角分量滿足下式

(18)

然后,在已知平行板電場(chǎng)分布Eu、Ev的前提下,將式(18)代入式(17),即可得出同軸線場(chǎng)的直角分量Ex、Ey

(19)

(20)

則電場(chǎng)矢量可表示為

(21)

至此,即通過(guò)曲線坐標(biāo)法,利用平行板的場(chǎng)分布反演出了同軸線的場(chǎng)分布。從上述過(guò)程可清晰看到,在平行板逐漸彎曲為同軸線過(guò)程中,平行板中的電場(chǎng)也在逐漸的擴(kuò)散,以適應(yīng)邊界?？梢则?yàn)證,式(21)與參考文獻(xiàn)[13]中的相應(yīng)公式是一致的。

最后,利用已求得的場(chǎng)分布,計(jì)算同軸導(dǎo)體內(nèi)外的電壓和電荷。單位長(zhǎng)度同軸線與平行板上電荷為

(22)

(23)

同樣,利用電壓定義,可求得同軸內(nèi)外導(dǎo)體間的電壓如下

(24)

式(22)～式(24)與第2節(jié)中關(guān)于電荷電壓的結(jié)論一致,從而驗(yàn)證了本文方法的正確性。利用電容定義即可求得單位長(zhǎng)度同軸線的電容

(25)

考慮到工程實(shí)際需求,由電容即可求得同軸線的關(guān)鍵參量特征阻抗

(26)

利用CMM方法計(jì)算了同軸線的場(chǎng)分布及電容等參量,結(jié)論與之前的理論分析一致。對(duì)于工程實(shí)際所需要的傳輸線,可以從其傳輸線參量如特征阻抗出發(fā),求得傳輸線的電容,再利用電容求得傳輸線相應(yīng)的尺寸,完成設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.4 仿真驗(yàn)證

利用商業(yè)軟件CST2013可仿真得出不同尺寸下同軸線的特征阻抗。設(shè)置工作頻率為3 GHz,內(nèi)半徑a=1 mm,導(dǎo)體具有理想電邊界,內(nèi)外導(dǎo)體中間填充空氣。表1給出了在上述仿真條件下,不同外半徑時(shí)同軸特征阻抗的仿真結(jié)果與理論結(jié)果。

從表1中可以看出,在不同尺寸下,同軸特征阻抗理論值與數(shù)值仿真結(jié)果吻合得很好,從而說(shuō)明了本文CMM方法的正確性。

表1 不同外半徑下同軸特征阻抗

3 結(jié) 論

本文針對(duì)復(fù)雜邊界條件下的二維均勻傳輸線中電磁場(chǎng)難以解析求解從而造成設(shè)計(jì)困難的問(wèn)題,提出了一種基于曲線坐標(biāo)的保角變換法——CMM方法,并以同軸線為例,展示了這種方法的計(jì)算過(guò)程。首先通過(guò)保角變換,建立同軸線與平行板間的數(shù)學(xué)聯(lián)系;然后,利用曲線坐標(biāo)建立了場(chǎng)源在同軸線和平行板間的映射關(guān)系,得出了同軸線的場(chǎng)源分布;最后,利用同軸線中的場(chǎng)分布建立了同軸線等效電路模型,模型中與電路傳輸特性相關(guān)的參量與電容緊密相關(guān),且電容與傳輸線的尺寸相關(guān),這樣就形成了一個(gè)完整的分析與設(shè)計(jì)過(guò)程。本文方法相比于以電位為中間量的傳統(tǒng)保角變換,直接從場(chǎng)出發(fā),省去了關(guān)于電位的中間計(jì)算過(guò)程,在保證計(jì)算精度的同時(shí),有效節(jié)約了計(jì)算資源。仿真結(jié)果表明,不同尺寸下同軸線特征阻抗仿真值與理論值吻合得很好,說(shuō)明了CMM方法的正確性。本文方法并不局限于真空環(huán)境,也適用于各向同性介質(zhì),且有望推廣到三維微波器件。

[1] DEY S, MITTRAA R. Locally conformal finite-difference time-domain (FDTD) algorithm for modeling three-dimensional perfectly conducting objects [J]. IEEE Microwave and Guided Wave Letters, 1997, 9(7): 273-275.

[2] HAMILTON L R, STALZER M A, TURLEY R S. Method of moments scattering computations using high-order basis functions [EB/OL]. [2015-03-05]. http:/ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=385149.

[3] 崔翔, 謝羲. 計(jì)算電容值的變分與互補(bǔ)變分法 [J]. 華北電力學(xué)院學(xué)報(bào), 1990, 17(2): 1-6. CUI Xiang, XIE Xi. Variational and complementary variational method for calculating capacitance [J]. Journal of North China Institute of Electric Power, 1990, 17(2): 1-6.

[4] 倪中非, 黃斌科, 師振盛. 用于非規(guī)則波導(dǎo)傳輸特性分析的高效坐標(biāo)變換法 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 48(8): 18-22. NI Zhongfei, HUANG Binke, SHI Zhensheng. An efficient coordinate transformation method for propagation properties analysis of irregular waveguide [J]. Xi’an Jiaotong University, 2014, 48(8): 18-22.

[5] PENDRY J B, SCHURIG D, SMITH D R. Controlling electromagnetic fields [J]. Science, 2006, 312: 1780-1782.

[6] 梁昌洪, 崔鐵軍, 范小平. 采用保角變換求解一類TEM模傳輸線的衰減常數(shù) [J]. 電子科學(xué)學(xué)刊, 1991, 13(5): 475-481. LIANG Changhong, CUI Tiejun, FAN Xiaoping. Conformal transformation method for attenuation constant of TEM mode transmission line [J]. Journal of Electronics, 1991, 13(5): 475-481.

[7] DUYAR M, AKAN V, YAZGAN E, et al. Analytical attenuation calculation of asymmetrical coplanar waveguide with finite-extent ground planes for coplanar, waveguide mode [J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2007, 49(6): 2082-2087.

[8] ZHAO Ji-Xiang. Characteristic parameters for CPWS on a very thin dielectric layer [J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2005, 45(3): 240-241.

[9] AKAN V, YAZGAN E. Quasistatic TEM characteristics of multilayer elliptical and cylindrical coplanar waveguides [J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2004, 42(4): 317-322.

[10]SHAN Zhiyong, ZHANG Yanhua, ZHOU Xilang, et al. Analytical analysis of a rectangular shielded multilayer coupled coplanar waveguide [J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2004, 41(5): 392-395.

[11]AKAN V, YAZGAN E. A simple formulation for quasistatic solutions of elliptical, cylindrical and asymmetrical coplanar strip lines [J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2004, 41(1): 18-21.

[12]王福謙. 橢圓柱傳輸線內(nèi)的TEM波及其特性阻抗 [J]. 光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù), 2011(5): 1-3, 11. WANG Fuqian. TEM wave and characteristic impedance of the elliptical cylinder transmission line [J]. Optical Fiber & Electric Cable, 2011(5): 1-3, 11.

[13]李宗謙, 佘京兆, 高葆薪. 微波工程基礎(chǔ) [M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004: 113-114.

(編輯 劉楊)

A Conformal Mapping Method Based on Curve Coordinates under Complex Electromagnetic Boundaries

ZHANG Jingsi1,MIAO Yingkai2,LIU Xiaobo1,ZHANG Anxue1

(1. School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Puyang Vocational and Technical College, Puyang, Henan 457000, China)

A conformal mapping method (CMM) based on curve coordinates is proposed to focus on the problem that the electromagnetic field of the two-dimensional uniform microwave transmission lines with complex geometric boundary conditions is hard to be analytically solved and thus its design is difficult. The method is based on a TEM model of the cross-dimensional electromagnetic transmission line. First, the conformal mapping is used to map the complex boundary curve of the transmission line into boundary curves of a simple transmission line, and the curvilinear coordinates of the complex border transmission lines are built; Then the curvilinear coordinates are used to convert the Maxwell’s equations for the complex border transmission lines to the simple border transmission lines, and the electromagnetic mapping between the two kinds of transmission line is formed. Finally, it is verified that both the charge and the potential between two kinds of transmission lines are correspondingly equal, so that the capacitance of complex transmission line that is closely related to the transfer characteristic is obtained and can further be used to guide the design of the transmission line. Simulation results and comparisons with the traditional conformal mapping calculation method with the potential being the intermediate amount show that the CMM method starts directly from the field, eliminates the potential on the intermediate calculations, and its results agree well with theoretical calculation.

microwave transmission lines; curve coordinates; conformal mapping; Maxwell’s equations

2015-04-30。

張婧思(1992—),女,碩士生;張安學(xué)(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61471292,61331005,61471388,41404095)

時(shí)間:2015-11-27

10.7652/xjtuxb201602008

TN81

A

0253-987X(2016)02-0043-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151127.2116.006.html