应用有限差分法计算方同轴线的特性阻抗

1、应用有限差分法计算方同轴线的特性阻抗熊江(电子科技大学物理电子学院成都610054)【摘要】 在MATLAB上应用计算电磁学中的有限差分法，通过计算方同轴线主模的电位分布，进而求 出特性阻抗。讨论了特性阻抗Zc随方同轴线几何参数p的变化，并用多项式拟合给出了 Zc随p的变化关 系式。同时，还讨论了对场域进行离散化的网格由于其划分的粗细程度不同对结果造成的影响。关键词有限差分法；超松弛迭代法；方同轴线；特性阻抗；计算电磁学Intrinsic Impedance Calculation of Quadrate Coaxial Line using Finite Difference MethodX

2、IONG Jiang(School of Physical Electronics, UEST of China Chengdu 610054)Abstract Using finite difference method in the computational electromagnetics on MATLAB, the voltage of quadrate coaxial line is caculated, and then the intrinsic impedance is attained. The change of intrinsic impedance Zc, foll

3、owed by geometrical parameter p , is discussed, and the expression of Zc and p is also given by polynomial fit. The influence to the results, caused by different thickness of griddings which is used to disperse the field, is also discussed.Key words finite difference method; 超松弛迭代法;quadrate coaxial

4、line; intrinsic impedance; computational electromagnetics方同轴线方同轴线的结构与常见的圆同轴线相类似，都是双导体系统，主模为TEM模，不同的是方同轴线的 内外导体均是正方形。图1给出了两种方同轴线的横截面图。其中，a和b是描述方同轴线的几何参数，a 是内外导体之间的间隙，2b是外导体的边长。本文计算如图1（a）所示的方同轴线的TEM模特性阻抗Z 随p的变化，并用多项式拟合出Zc与P的关系。(b)图1两种方同轴线的横截面图对计算结果的预测通过与已有的圆同轴线特性阻抗公式的类比，可以对计算结果作出初步的预测。圆同轴线的特性阻抗为：b TOC

5、 o 1-5 h z VIn（1）Zc =b - a = 60ln(1 - p) HYPERLINK l bookmark22 o Current Document I2兀 Y，00其中，V是内外导体的电位差，I是流过内导体的电流，y是自由空间的本征导纳；a和b分别是内外导 000体间距和外导体的半径。根据（1）式可以画出圆同轴线Zc与p的关系曲线，如图2所示。Zc随p按照对 数函数关系单调地增加，其值从零到无穷大。对于要计算的方同轴线，可以估计，其Zc随p地变化趋势与 圆同轴线类似，但由于p 一0时，图1（a）所示的方同轴线内外导体不会完全重合，还留有一些空隙，故 Zc不会为零，应该为一个有

6、限的小值。400300200图2圆同轴线的Z p关系特性阻抗么的计算过程场域的离散化及边界条件将所要求解的场域用正方形网格进行离散化，并给定边界条件为内导体电位 4= 1V，外导体电位 4 = 0V。有一点需要注意:若将场域划分为20X20的网格，则在讨论p的不同取值时，只取p = 0.1,0.2,.,0.9， 即p只精确到0.1;若划分为80X80的网格，则取p = 0.0125,0.025,.,0.9875。这样做的好处时保证了内导 体的边缘始终落在网格点上，无需对边界条件再作其它处理。在计算过程中，我们实际采用T20X20，40X40, 80X80, 120X120, 160X160 和

7、 200X200 这 6 种网格。计算内外导体的电位分布内外导体间的电位分布由拉普拉斯方程描述:d 2巾d 2巾八（2）（3） 20 =瓦?+桥=0。对取样点电位的计算采用超松弛迭代法，其差分格式为:4 （ n+1） =4（）+%（4（）+4（n）+4（n+1） +。（n+1） - h 2 f -伸（n）i, ji, j 4i+1, ji, j+1i-1, ji, j-1i, ji, j由于在这个问题中，场域内无源，故J = 0 , (3)式简化为: TOC o 1-5 h z 。(n + 1) =。(n) +_(。(n) +。(n) +。(n + 1) +。(n + 1) - 4。(n)i,

8、 ji, j 4i+1，ji，j+1i-1，ji, j-1i, j 。(4)选用的正方形网格时，松弛因子的最佳值与网格每边节点数Z +1有关，气与l的关系为：2 =01 + sin(兀 /1)。(5)例如对于120X120的网格，气=1.95。收敛指标的规定如下：当网格内各取样点相邻两次迭代近似值的 绝对误差的绝对值均小于0.0001时终止迭代。求解场域内的电场和磁场根据电场和电位的关系：E = -V。，具体在本例中，(6)E = (-)e + ()e = Exe + E edx xdx y x y y，即任一取样点处的电场X方向分量Ex(i,j) =(wx)(i,j)，y方向分量Ey(i,j

9、) = (dy)(i，j)。可以利用 中心差分将偏导数转化为差分，即：。-。E = - (i,j+1)(i,j-1) TOC o 1-5 h z x (i,j)2h(8)(10)Ey (i, j)*，子 M由于网格的步长h=1，所以以上(7) (8)两式就简化为:E =。-。x (i, j)(i, j-1)(i, j+1)E =。-。y (i, j)(i+1, j)(i-1, j)在求出每个取样点的Ex，Ey后,就可以画出电场矢量图,如图3。同时,各个取样点处的电场大小也可 以求出：(11)El j =j05101520图3通过电位求得的电场分布图（12）根据TEM电磁波电场和其相伴磁场的关系

10、H =1 e x E，可以求出各个取样点处的磁场: 门 z门y(i,j)，（13）Hy(i, j)以及磁场大小:（14）图4给出了磁场的分布。图4通过电场求得的磁场分布计算内导体中流过的电流和该方同轴线在给定几何参数p下的特性阻抗Zc根据安培环路定律:（15）I =； H dl，c原则上可以选取包围内导体的任意闭合路径对磁场进行曲线积分。但为了计算简便，可以考虑选取如下两 种路径：一是紧贴内导体的逆时针回路，二是紧贴外导体的逆时针回路，如图5所示。下面分别称之为路径一和路径二。1510b0101520灰色路径所示的沿内导体逆时针回路为路径一红色路径所示的沿外导体逆时针回路为路径二图5计算电流的

11、两种积分路径l1选取这两种路径的好处在于磁场矢量H方向与路径微元矢量dl方向始终大致相同，这就可以将（15）式的矢量场曲线积分简化为标量场曲线积分：I = 1 H - dl。（16）c这里要说明一下，通过对以上两种路径积分比较计算结果，可以发现路径二更准确。图6给出了利用20 X20网格分别用上述两种路径计算得到的Zc随p的变化曲线。可以看出，在p较小时，两条曲线还是比 较接近的，但是随着p的增大，两条曲线出现了差异且越来越大。通过和圆同轴线的结论比较，叩 -1 时，Zc * 知，路径二的结果更合理。这一结果可以借助图7来解释。图7所示的是P = 0.8时的磁场 分布图，可见路径二上总共有72

12、个点，而路径一上只有12个。在这种p较大的情况下，用路径一上仅 有的几个取样点来描述该路径上的磁场就显得比较粗糙了。201816141210利用20X20网格用两种闭合路径积分计算得到的Zc随p的变化曲线02468101214161820图7 20X20网格，P= 0.8时的磁场分布图由于内外导体之间的电压设为1,根据同轴线特性阻抗的定义:(17)只要给定一个p值，即给定方同轴线横截面的几何形状，就可以求出对应Zc的值。3.5 拟合Z随p变化的多项式在同一个网格划分下，改变p的值，就可以求出与p 一一对应的Zc。表1给出了 120X120的网格下，Zc 和p的关系，p从0.0167到0.983

13、3共59组数据，其曲线图由图8给出。与第2部分的预测比较，计算得 出的结果是比较合理的：Zc随p单调地增加，其变化趋势和圆同轴线的对数关系相近；在 pt 1时 Zc T8而在p t 0时Zc为一个小量但不会为零。p0.01670.03330.05000.06670.08330.10000.11670.13330.15000.1667Zc11.094711.374113.443715.187916.778618.283819.737221.158922.561623.9544p0.18330.20000.21670.23330.25000.26670.28330.30000.31670.3333

14、Zc25.344226.736828.136429.546730.971432.411833.872835.355036.863338.3985p0.35000.36670.38330.40000.41670.43330.45000.46670.48330.5000Zc39.963941.561743.197744.867246.575448.331050.132251.985053.891255.8551p0.51670.53330.55000.56670.58330.60000.61670.63330.65000.6667Zc57.882259.977362.144164.389766.7

15、19769.142671.665374.297777.051279.9347p0.68330.70000.71670.73330.75000.76670.78330.80000.81670.8333Zc82.964786.156489.528193.101996.9032100.9639105.3225110.0262115.1346120.7242p0.85000.86670.88330.90000.91670.93330.95000.96670.9833Zc126.8941133.7805141.5687150.5374161.1038173.9578190.3632212.9910249

16、.3674表1用120X120网格计算的Zc和p的关系250图8 120X120网格下Zc与p的关系曲线使用matlab的多项式拟合功能，对表1的结果进行多项式逼近，得到12次多项式的结果：Zc = 107 x (0.4189p 12 - 2.4132p 11 + 6.1233p 10 - 9.0034p9 + 8.4909p 8 - 5.3705p7+ 2.3144p6 -0.6767p5 + 0.1312p4 -0.0161p3 + 0.0011p2)。(18)该多项式的曲线图及其与图8的曲线比较一并放在了图9中，可以看出，该12次多项式较好地逼近了计 算结果。当p = 0.65时，用该1

17、2次多项式算出的Zc=77.0773，相对误差大约仅为0.03%。有了这一拟合公式，就可以对任意的p计算对应的Zc值。200拟合的泾次多项式的曲线由计算的59个数据点得到的曲线图9拟合的12次多项式曲线与由计算结果绘出的曲线的比较4网格对计算结果影响的分析图10所示的是20X20，40X40，80X80，120X120，160X160和200X200这6种网格计算得到的Zc p曲线图的比较。从图中可以看出，整体来说这些网格的结果还是吻合得比较好的，但有两点值得注 意。一是20X20和40X40网格画出的这两条曲线与其它四条曲线差别略大，特别是20X20的这条更为 显著一些，这是因为这两种网格还不够精确，得到的数据点也较少，分别只有9个和19个。二是在p 0.8 之后，各条曲线稍有不同，这一点可以这样来理解：在p，也就是内外导体之间间隙较小时，场域本身就 比较小，对这一场域进行离散化的网格中取样点数目的多少差异还不太能够导致结果的差别；但作充分大以后，对较大的场域，取样点的数目就相对重要了。少量的取样