一种太赫兹无源电路波导的力学及多物理场分析方法

摘要

本发明涉及太赫兹通信技术领域，尤其是涉及一种太赫兹无源电路波导的力学及多物理场分析方法，包括以下步骤：将太赫兹无源电路波导划分为多个子波导单元；在同一尺寸数据维度下，排序、筛选出目标子波导单元，并进行建模，得到目标子波导单元模型；对目标子波导单元模型加载随机振动载荷和冲击载荷进行力学分析。本发明以随机振动载荷和冲击载荷模拟太赫兹无源电路波导在宇航级随机振动和冲击条件下进行应力分析，能够快速分析判断出太赫兹无源电路波导能否适用于极端环境，有助于太赫兹无源电路波导在更广泛的领域进行更深入、恰当的应用，同时本发明方法有效减小建模分析的工作量，提高太赫兹无源电路波导的力学分析效率。

权利要求

1.一种太赫兹无源电路波导的力学分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100，对太赫兹无源电路波导进行结构划分，将截面相同且连续的部分作为一个子波导单元，获取子波导单元的尺寸数据；

步骤S200，在同一尺寸数据维度下，分别对子波导单元进行排序，筛选出至少一个排序在前的子波导单元作为目标子波导单元，并对目标子波导单元进行建模，得到目标子波导单元模型；其中，对子波导单元进行排序包括从子波导单元的宽高比维度分别对子波导单元进行排序；

步骤S300，对目标子波导单元模型加载随机振动载荷和冲击载荷进行力学分析；其中，所述随机振动载荷具体为：2

垂直安装面方向:10Hz 200Hz:+6dB/Otc，200Hz 1500Hz:0.25g/Hz，1500Hz 2000Hz:‑~ ~ ~

12dB/Otc，总均方根加速度为20.3g；

2

平行安装面方向:10Hz 200Hz:+6dB/Otc，200Hz 1500Hz:0.16g/Hz，1500Hz 2000Hz:‑~ ~ ~

12dB/Otc，总均方根加速度为16.1g；

冲击载荷具体为，在正交三个方向上，分别加载100Hz 400Hz:+6dB/Otc，400Hz～~

4000Hz:400g；

所述垂直安装面方向为Z轴方向，所述平行安装面方向为X、Y轴方向。

2.如权利要求1所述的力学分析方法，其特征在于，所述尺寸数据包括：子波导单元的长、宽、高、以及至少一种长宽高中至少两项的比值。

3.如权利要求1所述的力学分析方法，其特征在于，在步骤S200中，选择截面长宽比值最大的子波导单元作为目标子波导单元，和/或，从所有子波导单元的长、宽、高数值中选择最小值对应的子波导单元作为目标子波导单元。

4.如权利要求1 3任意一项所述的力学分析方法，其特征在于，在有多个目标子波导单~元时，建模时将多个目标子波导单元建在同一基底金属模型单元上。

5.如权利要求4所述的力学分析方法，其特征在于，在建模时，对于一个目标子波导单元，分别建立不同金属材料、结构相同的目标子波导单元模型。

6.如权利要求4所述的力学分析方法，其特征在于，在建模时，所述基底金属模型单元建模采用的材料与目标子波导单元建模采用的材料相同。

7.如权利要求1所述的力学分析方法，其特征在于，在进行力学分析过程中，根据目标子波导单元的模型形变状态来判断太赫兹无源电路波导是否满足力学性能要求。

8.如权利要求1所述的力学分析方法，其特征在于，在对目标子波导单元模型加载随机振动载荷和冲击载荷，根据应变量来判断太赫兹无源电路波导是否满足力学性能要求。

9.一种太赫兹无源电路波导的多物理场分析方法，其特征在于，包括电磁分析和权利要求1 8任意一项所述力学分析方法，所述电磁分析具体为，对太赫兹无源电路波导建立电~磁模型，然后基于电磁模型进行电磁性能仿真分析。

说明书

一种太赫兹无源电路波导的力学及多物理场分析方法

技术领域

[0001] 本发明涉及太赫兹通信技术领域，尤其是涉及一种太赫兹无源电路波导的力学及多物理场分析方法。

背景技术

[0002] 太赫兹无源电路技术作为太赫兹技术的核心之一，太赫兹系统的实现，也依赖于如滤波器、耦合器、多工器等太赫兹无源电路性能的突破。太赫兹无源电路的性能取决于太赫兹电路模型的建模精度，与有源电路不同，太赫兹无源电路主要基于波导，当工作频率上升至太赫兹频段，波导不连续性，各结构材料特性变化等因素对电路影响不可忽视，无源电路三维电磁模型的精确建立直接影响着其电路性能。目前，EDA软件性能越来越强大，使得太赫兹无源电路的建模越来越容易，仿真结果与实际性能也越来越接近。但是，随着太赫兹电路应用越来越广泛，对太赫兹电路也提出了更新更高的要求，主要包括质量、可靠性、使用寿命、小型化和低功耗等指标；尤其是在发射、着陆、碰撞等极端环境下，对太赫兹无源电路的可靠性要求更高，因此需要对太赫兹无源电路波导在实际应用前进行性能分析，以满足在极端环境下的使用要求。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种太赫兹无源电路波导的力学及多物理场分析方法，来解决现有技术中存在的上述技术问题，主要包括以下两个方面：

[0004] 本申请第一方面提供了一种太赫兹无源电路波导的力学分析方法，包括以下步骤：

[0005] 步骤S100，对太赫兹无源电路波导进行结构划分，将截面相同且连续的部分作为一个子波导单元，获取子波导单元的尺寸数据；

[0006] 步骤S200，在同一尺寸数据维度下，分别对子波导单元进行排序，筛选出至少一个排序在前的子波导单元作为目标子波导单元，并对目标子波导单元进行建模，得到目标子波导单元模型；

[0007] 步骤S300，对目标子波导单元模型加载随机振动载荷和冲击载荷进行力学分析；其中，所述随机振动载荷具体为：

[0008] 垂直安装面方向:10Hz 200Hz:+6dB/Otc，200Hz 1500Hz:0.25g2/Hz，1500Hz~ ~ ~2000Hz:‑12dB/Otc，总均方根加速度为20.3g；

[0009] 平行安装面方向:10Hz 200Hz:+6dB/Otc，200Hz 1500Hz:0.16g2/Hz，1500Hz~ ~ ~2000Hz:‑12dB/Otc，总均方根加速度为16.1g；

[0010] 冲击载荷具体为，在正交三个方向上，分别加载100Hz 400Hz:+6dB/Otc，400Hz～~4000Hz:400g；

[0011] 所述垂直安装面方向为Z轴方向，所述平行安装面方向为X、Y轴方向。

[0012] 进一步地，所述尺寸数据包括：子波导单元的长、宽、高、以及至少一种长宽高中至少两项的比值。

[0013] 进一步地，在步骤S200中，选择截面长宽比值最大的子波导单元作为目标子波导单元，和/或，从所有子波导单元的长、宽、高数值中选择最小值对应的子波导单元作为目标子波导单元。

[0014] 进一步地，在有多个目标子波导单元时，建模时将多个目标子波导单元建在同一基底金属模型单元上。

[0015] 进一步地，在建模时，对于一个目标子波导单元，分别建立不同金属材料、结构相同的目标子波导单元模型。

[0016] 进一步地，在建模时，所述基底金属模型单元建模采用的材料与目标子波导单元建模采用的材料相同。

[0017] 进一步地，在步骤S300中，所述随机振动载荷具体为，

[0018] 垂直安装面方向:10Hz 200Hz:+6dB/Otc，200Hz 1500Hz:0.25g2/Hz，1500Hz~ ~ ~2000Hz:‑12dB/Otc，总均方根加速度为20.3g；

[0019] 平行安装面方向:10Hz 200Hz:+6dB/Otc，200Hz 1500Hz:0.16g2/Hz，1500Hz~ ~ ~2000Hz:‑12dB/Otc，总均方根加速度为16.1g；

[0020] 冲击载荷具体为，在正交三个方向上，分别加载100Hz 400Hz:+6dB/Otc，400Hz～~4000Hz:400g。

[0021] 进一步地，在进行力学分析过程中，根据目标子波导单元的模型形变状态来判断太赫兹无源电路波导是否满足力学性能要求。

[0022] 进一步地，在对目标子波导单元模型加载随机振动载荷和冲击载荷，根据应变量来判断太赫兹无源电路波导是否满足力学性能要求。

[0023] 本申请第二方面提供了一种太赫兹无源电路波导的多物理场分析方法，包括电磁分析和上述力学分析方法，所述电磁分析具体为，对太赫兹无源电路波导建立电磁模型，然后基于电磁模型进行电磁性能仿真分析。

[0024] 本发明相对于现有技术至少具有如下技术效果：

[0025] 本发明以随机振动载荷和冲击载荷模拟太赫兹无源电路波导在宇航级随机振动和冲击条件下进行应力分析，对其力学性能在极端环境下进行综合研究，能够快速分析判断出太赫兹无源电路波导能否适用于极端环境，有助于太赫兹无源电路波导在更广泛的领域进行更深入、恰当的应用；另一方面，通过筛选出太赫兹无源电路波导中最薄弱的部分做为目标子波导单元进行建模测试，而避免采用对整个太赫兹无源电路波导进行建模，在保证对太赫兹无源电路波导进行有效力学分析的基础上，有效减小建模分析的工作量，提高太赫兹无源电路波导的力学分析效率。

附图说明

[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0027] 图1是实施例1中力学分析方法的流程图；

[0028] 图2是典型耦合器的结构划分示意图；

[0029] 图3是第一改进耦合器的结构划分示意图；

[0030] 图4是第二改进耦合器的结构划分示意图；

[0031] 图5是典型耦合器、第一改进耦合器和第二改进耦合器的模型示意图；

[0032] 图6是典型耦合器、第一改进耦合器和第二改进耦合器的金属分支力学仿真结果图；

[0033] 图7是对目标子波导单元加载随机振动载荷和冲击载荷的加速度方向示意图；

[0034] 图8是铝材料下三种金属分支在不同加速度下的应变量测试结果图；

[0035] 图9是铜材料下三种金属分支在不同加速度下的应变量测试结果图；

[0036] 图中：

[0037] 1、第一典型子区域；2、第二典型子区域；3、第三典型子区域；4、第四典型子区域；5、I型第一改进子区域；6、I型第二改进子区域；7、I型第三改进子区域；8、I型第四改进子区域；9、II型第一改进子区域；10、II型第二改进子区域；11、II型第三改进子区域；12、II型第四改进子区域；13、基底金属模型单元。

具体实施方式

[0038] 以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

[0039] 为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

[0040] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0041] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0042] 实施例1：

[0043] 本申请实施例提供了一种太赫兹无源电路波导的力学分析方法，如图1所示，包括以下步骤：

[0044] 步骤S100，对太赫兹无源电路波导进行结构划分，将截面相同且连续的部分作为一个子波导单元，获取子波导单元的尺寸数据；

[0045] 步骤S200，在同一尺寸数据维度下，分别对子波导单元进行排序，筛选出至少一个排序在前的子波导单元作为目标子波导单元，并对目标子波导单元进行建模，得到目标子波导单元模型；

[0046] 步骤S300，对目标子波导单元模型加载随机振动载荷和冲击载荷进行力学分析。

[0047] 随着太赫兹无源电路应用越来越广泛，尤其是应用于航天与军事应用，这些应用场景对太赫兹无源电路也提出了更新更高的要求，主要包括质量、可靠性、使用寿命、小型化和低功耗等指标；尤其是在航空航天或其他极端环境应用，电磁性能不是唯一需要考虑的问题，对太赫兹无源电路的可靠性要求更高，特别要求在发射、着陆、碰撞等极端环境下仍能工作；为此，本实施例提供一种太赫兹无源电路波导的力学分析方法，以随机振动载荷和冲击载荷模拟太赫兹无源电路波导在宇航级随机振动和冲击条件下进行应力分析，对其力学性能在极端环境下进行综合研究，能够快速分析判断出太赫兹无源电路波导能否适用于极端环境，有助于太赫兹无源电路波导在更广泛的领域进行更深入、恰当的应用；另一方面，本实施例通过对太赫兹无源电路波导的结构进行适当划分，并筛选出太赫兹无源电路波导中最薄弱的部分做为目标子波导单元进行建模测试，而避免采用对整个太赫兹无源电路波导进行建模，在保证力学分析有效的基础上，有效减小建模分析的工作量，提高太赫兹无源电路波导的力学分析效率。

[0048] 具体地，所述尺寸数据包括：子波导单元的长、宽、高、以及至少一种长宽高中至少两项的比值。所述长宽高中至少两项的比值包括：子波导单元的长和子波导单元的宽的比值，子波导单元的长和子波导单元的高的比值，子波导单元的宽和子波导单元的高的比值，子波导单元的长、子波导单元的宽和子波导单元的高的比值。

[0049] 在一些实施例中，对于结构简单的太赫兹无源电路波导，在筛选目标子波导单元时，可以选择从子波导单元的长、宽、高三个维度分别对子波导单元进行排序，并从三个排序队列中筛选出数值最小的1 3个子波导单元作为目标子波导单元。~

[0050] 在一些实施例中，对于结构复杂的太赫兹无源电路波导，在筛选目标子波导单元时，可以选择从子波导单元的长、宽、高、以及长宽高中至少两项的比值等多个维度分别对子波导单元进行排序，然后再从多个排序队列中筛选出数值排序在前的1 3个子波导单元~作为目标子波导单元，排序在前是指在数值从大到小排序时，选择数值最大的1 3个子波导~
单元，在数值从小到大排序时，选择数值最小的1 3个子波导单元。
~

[0051] 在一些实施例中，对于结构复杂的太赫兹无源电路波导，在筛选目标子波导单元时，也可以选择从子波导单元的长宽比、宽高比和长高比等三个维度分别对子波导单元进行排序，然后再从三个排序队列中筛选出排序在前的1 3个子波导单元作为目标子波导单~元。

[0052] 在一些实施例中，在筛选目标子波导单元时，也可以选择从子波导单元的截面长宽比一个维度对子波导单元进行排序，并选择截面长宽比值最大的1个或2个子波导单元作为目标子波导单元。

[0053] 需要说明的时，在筛选目标子波导单元时，从太赫兹无源电路波导中划分子波导单元的数目为N，筛选得到目标子波导单元数目为M，1≤M≤N‑1。

[0054] 在一个具体实施例中，以典型的太赫兹分支波导定向耦合器（以下称典型耦合器，如图2所示）、第一改进太赫兹耦合器（以下称第一改进耦合器，如图3所示）和第二改进太赫兹耦合器（以下称第二改进耦合器，如图4所示）分别作为待测太赫兹无源电路波导，并分别进行结构划分，将截面相同且连续的部分作为一个子波导单元，典型耦合器和改进耦合器均可以将其划分为4个不同结构的子波导单元（典型耦合器的划分结果对应图2中第一典型子区域1、第二典型子区域2、第三典型子区域3、第四典型子区域4的四种不同结构的子波导单元，第一改进耦合器的划分结果对应图3中I型第一改进子区域5、I型第二改进子区域6、I型第三改进子区域7、I型第四改进子区域8的四种不同结构的子波导单元，第二改进耦合器的划分结果对应图4中II型第一改进子区域9、II型第二改进子区域10、II型第三改进子区域11、II型第四改进子区域12的四种不同结构的子波导单元），然后根据子波导单元的尺寸数据中的宽度数值对子波导单元从小到大进行排序，在典型耦合器、第一改进耦合器和第二改进耦合器中，均筛选出数值最小的金属分支对应的子波导单元（图2中第四典型子区域4为典型耦合器的金属分支，图3中I型第四改进子区域8为第一改进耦合器的金属分支，图4中II型第四改进子区域12为第二改进耦合器的金属分支）作为目标子波导单元，然后将三个目标子波导单元建模在同一基底金属模型单元13上，如图5所示，再加载随机振动载荷和冲击载荷进行力学仿真分析，结果如6图所示，从仿真结果可以看出，典型耦合器的金属分支（第四典型子区域4）发生了形变，这种形变会对电路性能造成巨大的恶化，在实际情况下，由于某些金属刚性较强（如太赫兹电路常用的铜、铝材料刚性均较强，延展性较差），在外界应力作用下有可能直接发生根部断裂，让太赫兹无源电路波导遭受毁灭性破坏；而第一改进耦合器的金属分支（I型第四改进子区域8）和第二改进耦合器的金属分支（II型第四改进子区域12）均未发生形变，满足力学性能要求。

[0055] 需要说明的是，在对目标子波导单元进行建模时，可以将目标子波导单元和基底金属模型单元13采用同一种金属材料，而基底金属模型单元13的结构尺寸只要能承载建立所有目标子波导单元就行，基底金属模型单元13具体的外形、尺寸不做限定。在本实施例中，优选采用长方体结构的基底金属模型单元13。

[0056] 具体地，在有多个目标子波导单元时，建模时将多个目标子波导单元建在同一基底金属模型单元13上。为方便对所有目标子波导单元进行同步测试，将筛选得到的多个目标子波导单元建在同一基底金属模型单元13上，方便对目标子波导单元模型加载随机振动载荷和冲击载荷同步进行力学分析。

[0057] 具体地，在建模时，对于一个目标子波导单元，分别建立不同金属材料、结构相同的目标子波导单元模型。为便于快速分析出不同金属材料的太赫兹无源电路波导的力学性能，在筛选出目标子波导单元，通过建立不同金属材料、结构相同的目标子波导单元模型同步进行力学分析，就能够在一次建模测试中横向对比测试得到不同金属材料的太赫兹无源电路波导的力学性能表现，有助于对太赫兹无源电路波导进行快速优化分析。

[0058] 需要说明的是，所述金属材料包括铝、铜。

[0059] 具体地，在步骤S200中，采用有限元建模软件进行建模。在本实施例中可以采用Ansys公司的Workbench软件进行建模分析。

[0060] 具体地，在步骤S300中，所述随机振动载荷具体为，

[0061] 垂直安装面方向:10Hz 200Hz:+6dB/Otc，200Hz 1500Hz:0.25g2/Hz，1500Hz~ ~ ~2000Hz:‑12dB/Otc，总均方根加速度为20.3g；

[0062] 平行安装面方向:10Hz 200Hz:+6dB/Otc，200Hz 1500Hz:0.16g2/Hz，1500Hz~ ~ ~2000Hz:‑12dB/Otc，总均方根加速度为16.1g；

[0063] 冲击载荷具体为，在正交三个方向上，分别加载100Hz 400Hz:+6dB/Otc，400Hz～~4000Hz:400g；

[0064] 如图7所示，所述垂直安装面方向为Z轴方向，所述平行安装面方向为X、Y轴方向。

[0065] 具体地，在进行力学分析过程中，根据目标子波导单元的模型形变状态来判断太赫兹无源电路波导是否满足力学性能要求。若目标子波导单元的模型未变形，则太赫兹无源电路波导满足力学性能要求，若目标子波导单元的模型产生形变，则太赫兹无源电路波导不满足力学性能要求。

[0066] 具体地，在对目标子波导单元模型加载随机振动载荷和冲击载荷，根据应变量来判断太赫兹无源电路波导是否满足力学性能要求。基于广义胡克定律，刚体在发生弹性形变时，刚体的应力和应变成正比，本实施例通过建模分析计算目标子波导单元在不同加速度下的应变量，可以得到目标子波导单元的形变量与应变量之间关系，并测得目标子波导单元在发生断裂时的应变量，有助于对太赫兹无源电路波导进行力学结构优化。

[0067] 在一些实施例中，分别以铝和铜作为波导材料，将上述典型耦合器、第一改进耦合器和第二改进耦合器的金属分支建在同一基底金属模型单元13上，加载随机振动载荷和冲击载荷进行力学分析，获取三种金属分支在不同加速度下的应变量数据，结果如图8和图9所示，图8和图9中圆球位置为金属分支发生断裂的位置。

[0068] 实施例2

[0069] 本申请实施例提供了一种太赫兹无源电路波导的多物理场分析方法，包括电磁分析和实施例1中的力学分析方法，所述电磁分析具体为，对太赫兹无源电路波导建立电磁模型，然后基于电磁模型进行电磁性能仿真分析。

[0070] 在一些实施例中，将实施例1中的第一改进耦合器和第二改进耦合器进行电磁分析，第一改进耦合器的电磁性能优于第二改进耦合器的电磁性能。

[0071] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。