电磁-热耦合分析优化技巧

微波热模式将电磁波模式与传热模式结合在一起。由于微波能量会被介质材料吸收而转化为热能，因此基于电磁周期远比热学时间尺度短的假设，可将电磁波的电磁损耗作为热源。

使用频域－稳态求解模式进行稳态仿真；使用频域－瞬态求解模式进行瞬态仿真。其中，频域－稳态求解模式是在频域内求解麦克斯韦方程组，并假设所有热学相关的初始瞬态变量都已经消失，求解的是稳态的传热方程。由于没有瞬态信息，因此其计算比频域－瞬态求解模式的分析要快得多，结果给出的也是稳态的温度场分布。而频域－瞬态求解模式也是在频域内求解麦克斯韦方程组，并且它假设在单个电磁波振荡周期内用于求解麦克斯韦方程组的材料属性保持不变；而传热过程是以瞬态求解的。当材料的属性发生显著变化时，电磁场会进行重新计算，这个过程由时变求解器的相对容限标准来决定。

电磁波在微波部件的介质上传播，可在电场形式的波动方程中进行设置，引入波动方程。由于存在电磁损耗，微波部件中大功率微波的传播会在微波部件内部产生热效应，包括电损耗与磁损耗。电损耗可根据复介电常数计算，有限电导率引入复介电常数，为

或

式中，ε——介质的介电常数；

ε0——真空介电常数；

ε′，ε″——有效介电常数εr的实部、虚部。电损耗由虚部ε″决定。

复介电常数也可由损耗正切给出，为(www.xing528.com)

磁损耗可根据复磁导率来衡量，为

式中，μ′，μ″——磁导率的实部、虚部。

在波导法兰连接结、TNC 同轴连接器、同轴滤波器等器件中，磁损耗基本可以为零。微波部件的金属部分电导率很大，σ/（ωε）≫1，电磁场主要集中在表面趋肤深度厚度的薄层内，故微波部件的电损耗可通过设置阻抗边界条件来引入。

对器件设置微波热模型，将电磁损耗Q 作为热场的热源，从而可将电磁场与热场耦合。在星载环境中，微波部件的外界环境是真空的，表面和环境之间不存在热对流与热传导，表面与环境之间的热交换以辐射热的方式进行。以波导法兰连接结为例进行电热耦合仿真，传输的电磁波频率为0.8 GHz，功率为500 W。图3－8 所示为几何结构和网格剖分。图3－9 所示为波导法兰连接结的电场分布与温度分布的计算结果。

图3-8　矩形波导法兰连接结

（a）几何结构；（b）网格剖分