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(机械电子工程专业论文)车载多天线系统的fdtd方法研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
摘要 本文采用时域有限差分方法( f d t d ) 对车载多天线系统进行电磁兼容特性分 析。时域有限差分法作为一种瞬态时域方法,它直接从麦克斯韦方程出发,能充 分形象地模拟电磁波的传播过程,且在脉冲激励下,仪需一次汁算便可得到宽频 带的频域信息。另外,可方便用来处理复杂介质和形状目标的电磁问题,计算程 序有很强的通用性。基于上述特点,本文将其用于车载多天线系统的模拟仿真, 并根据计算结果实现电磁兼容预测分析。 首先简单介绍了f d t d 的基木原理、差分格式以及相关理论。主要有:数值 理论、吸收边界和激励源技术等。然后建立了基于f d t d 的车载多天线系统分析 模型,包含基于面元模型的车体网格划分和基于细导线f d t d 的天线建模技术。 结合上述理论,本文重点叙述了f d t d 的近远场外推方法,建立了对天线进行樱 合分析和辐射分析的理论模型,实现了车载多天线的特眭分析。另外,本义还对 传统f d t d 进行详细总结,并简单介绍了改进后的新算法基于交替方向隐式 技术的f d t d 方法( a d i f d t d ) 的基本实现原理。最后,洋细阐述了软件设计的基 本思想、总体思路和核心算法的具体实现,并给出了具体实例验证。 关键词:电磁兼容时域有限差分法天线干扰耦合 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s t h ee m cc h a r a c t e r i s t i co fm u l t i - a n t e n n a so nav e h i c u l a rp l a t f o r mi s a n a l y z e du s i n gt h ef i n i t e - d i f f e r e n c el i m e d o m a i n ( f d t d ) m e t h o d 。f d t di sak i n do f t r a n s i e n tt i m ed o m a i nm e t h o d ,w h i c hi sd e r i v e dd i r e c t l yf r o mt h ed i f f e r e n t i a lf o r mo f m a x w e l l se q u a t i o n si nt h et i m ed o m a i n f d t dc a ns i m u l a t et h ep r o p a g a t i o np r o c e s s i n g o fe l e c t r o m a g n e t i cw a v ev e r yc l e a r l y i ft h ee x c i t a t i o ni sap u l s es o u r c e ,t h er e s p o n s ei n f r e q u e n c yd o m a i nc a nb eo b t a i n e do v e raw i d eb a n d w i d t hw i t ho n ef d t dc a l c u l a t i o n m o r e o v e r , f d t dc a nb ec o n v e n i e n t l yu s e dt od e a lw i t ht h ep r o b l e mo fc o m p l i c a t e s h a p ei nc o m p l i c a t em e d i u m t h ep r o c e d u r eo ff d t dm e t h o di sv e r yu n i v e r s a la n dc a n b ew i d e l ya p p l i e di nd i f f e r e n tk i n d so fs y s t e m s o ,i ti sa p p l i e di nt h es i m u l a t i o no f v e h i c u l a rc o m m u n i c a t i o nm u l t i - a n t e n n as y s t e mi n t h i sp a p e r t h ee m cp r e d i c t i o ni s a c h i e v e ds u c c e s s f u l l ya c c o r d i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s f i r s t l y ,t h eb a s i cp r i n c i p l e ,t h ed i f f e r e n t i a lf o r mo ff d t da n do t h e rr e l a t i v e t h e o r i e sa r ep r o p o s e d t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e sn u m e r i c a lm o d e l i n gt h e o r i e s , a b s o r b i n gb o u n d a r yc o n d i t i o na n dt h et e c h n o l o g yo fe x c i t a t i o n ,e t c s e c o n d l y , t h e c a l c u l a t i o na n da n a l y s i sm o d e lo fv e h i c u l a rc o m m u n i c a t i o nm u l t i a n t e n n as y s t e mi s b u i l t t h ee s t a b l i s h m e n to fm o d e li sc o m p o s e do ft w oa s p e c t s :m e s h i n go ft h ev e h i c u l a r a n dm o d e lo fa n t e n n a s t h ef o r m e ro n ei sb a s e do nt h ep a t c ha n dt h el a t t e ro n ei sf d t d t e c h n o l o g y o ft h i nw i r e c o m b i n e da l lt h e s et h e o r i e s p r e s e n t e da b o v e ,af d t d n e a r - z o n et of a r - z o n et r a n s f o r m a t i o ni sd e s c r i b e di nd e t a i l t h ea n a l y s i sm o d e lo f a n t e n n a sc o u p l i n ga n dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca r ee s t a b l i s h e di nt h ep a p e r a n d ,t h e e m cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fa n t e n n a so nv e h i c u l a rp l a t f o r mi sa c h i e v e d m o r e o v e r , t h es u m m a r yf o rt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ff d t di sg i v e n t h en e wm e t h o d a d i f d t dw h i c hi sb e t t e rt h a nt h eg e n e r a lf d t di sp r o p o s e d t h ep r i n c i p l ea n dt h e d e r i v a t i o na r ed e m o n s t r a t e di nd e t a i l f i n a l l y , t h ea n a l y s i ss o f t w a r eo fe m co fv e h i c u l a r m u l t i p l e a n t e n n a e s y s t e m i s d e v e l o p e d ,w h i c h i sb a s e do nt h e t h o u g h t o f o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g t h eb a s i ci d e a ,o v e r a l lf l o wc h a r ta n dt h ec o r ed e s i g n t h o u g h ti si n t r o d u c e d s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e da n dt h ea p p li c a t i o no f f d t di sv e r i f i e db yaf e we x a m p l e s k e y w o r d : e m cf d t da n t e n n ai n t e r f e r e n c e c o u p l i n g 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导。卜进行的研究上作及取得的研究成果。尽我所知,除了义中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中傲了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一。切的法律责任。 本人签名:j 蝉 日期塑:! :! 查 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解两安电子科技大学有关保留和使用学位论文的剃定,即:研究 生在校攻读学位期间论文t 作的知识产权单位属西安电子科技人学。学校有权保 留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文:学校可以公布论文的全部或部分内 容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证,毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密,在一年解密后适用本授权书。 本人签名:因趱 导师签名:翁阻 日期二盟i 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 研究背景和意义 现代科学技术的高速发展使得通信系统中各种大功率和高灵敏度电子、电气 设备的应用日益广泛。尤其是在现代军事领域,通信系统的复杂度越来越高,各 类无线通信设备、电了设备密度急剧增加,使得通信窄间的电磁信号日益密集, 频谱重叠率增大,电磁环境日趋恶化。由此带来的无线电频率使用相互冲突、无 线设备相互干扰,已成为一个不容忽视的问题。如何保证通信设备在恶劣的电磁 环境r f l 正常工作变得军关重要,这就需要解决通信系统的电磁兼容性问题。根据 g j b 7 2 8 5 的定义,电磁兼容性是指设备( 分系统、系统) 在共同电磁环境中能一起 执行各自功能的共存状态。通信系统中必须同时兼顾设备本身的性能和设备间的 电磁兼容,降才能保证系统正常工作,信息传输顺畅。 在机动式通信系统中,车载多天线系统的应用最为广泛,尤其在民用领域占 据r 主导地位。因此,对车载多天线系统进行电磁兼容性能研究具有很大的工程 实用价值。一般情况下,为了满足移动通信需求,、通信车系统上装了较多线天线1 3 j 和其他无线设备,它们作为电子设备中电磁能量的发射和接收端口,除了发射有 用的无线电信号之外,还发射无意的交调乱真信号,成为主要的辐射干扰源和敏 感体,相互之间的电磁干扰较大。电磁干扰【2 】将影响系统中各类电子设备的正常工 作,尤其会造成电台通讯距离缩短、噪声增大、产生误码等后果,严重时将导致 通信信道完全阻塞,从而致使整个通信系统瘫痪。由此看出电磁兼容问题已经成 为整个系统完成其通信功能的主要障碍,而其中通信天线所引发的电磁兼锌问题 又最为突出,刘此必须重视并予以解决。评价和改善通信设备的电磁兼容性能主 要有两种方法:电磁兼容测试和电磁兼容预测。 电磁兼容测试【2 】是指对干扰源的干扰发射量、干扰传输特性以及设备的干扰敏 感度进行定量测试。这种方法最能反映设备可能存在的电磁兼容问题,但往往需 要花费较多人力物力才能获得准确的测试结果,造成开发周期过长,成本较高, 显然是f i 经济的。反之,如果应用电磁兼容性预测技术,则可有效帮助完成系统 的电磁兼容性设计,达到事半功倍的效果。电磁兼容预测技术 3 1 1 4 是一种通过理论 计算对设备或系统的电磁兼容性能进行分析评估的方法。这项技术通常应用在系 统或设备研制的方案设计和工程研制阶段,为方案修改、防护设计提供依据。更 具体地说,电磁兼容预测技术其实就是模拟验证技术,通常借助数值仿真来实现。 它具有计算快、参数修改方便、可多次重复计算、预测准确率高等突出优点。 乍载多大线系统的f d t d 方法研究 本文的研究目的是在电磁兼容设计阶段,通过使用仿真软件,对车载多天线 系统进行电磁耦合数值计算,分析车体平台上天线问的电磁兼容性【5 】【6 】【7 】,预测影 响电磁兼容性能的主要因素。这种基于仿真分析软件的电磁兼容性能预测方法不 仪适用于任何复杂的通信系统,而且计算方法科学准确,保证在设计时可以充分 考虑到天线之间的互榭8 1 ,进行合理的布局设计和有效的频率管理。 1 2 电磁学算法概述 随着计算机和电磁场理论技术的高速发展,计算电磁学应运而生。作为一门 新兴的边缘科学,它是以电磁场理论为基础,以高性能计算技术为工具和手段, 运用计算数学提供的各种方法,利用适当的边界条件确定所关心区域或物体的电 磁场分布或电流分布,进而给出所需要的物理参量,专门用于解决复杂电磁场理 论和工程问题。 自从1 8 7 3 年著名的m a x w e l l 方程问世以来,电磁计算方法大致经历了以下三个 发展阶段【9 】。第一阶段是解析方法时代,只适用于形状简单的问题,得至l j m a x w e l l 方程的解析解。为了满足复杂问题的求解,电磁计算进入第二阶段近似方法。 如基于微分方程的高频近似几何光学理论及一致性几何绕射理论;基于积分方程 的高频近似物理光学法及物理绕射理论。但是对于结构非常复杂的问题,高频近 似依然4 0 且c p c a 0 或a p xa b 0 且艘b c 0 且 c p x c a 0 ,( 即a p xa b 、b p b c 和c p x c a 非零且同号) ,则可判定p 在 a b c 内。若满足( a p x a b = 0 ,b p x b c 和c p x c a 非零且同号) 或( b p x b c = 0 , a p xa b 和c p x c a 非零且同号) 或( c p x c a 且a p xa b 和b p xb c 非零同号) , 则p 在a b c 轮廓上。否则,p 在a b c 在外。 3 2 车载线天线f d t d 建模 3 2 1 细导线f d t d 技术【l o 】 本文中分析的车载天线系统的上装天线大部分为线天线,截面尺寸较小,小 到一个f d t d 网格。常规f d t d 法是将网格细化,所划分的网格大小需小于天线的 直径,而线天线的直径远小于车体的大小,故对模犁采用传统的划分方法会使整 个计算空间的叫格数过大,增加计算星,计算效率1 i 高,为此对线天线采用细导 线模型【。 采用半解析数值方法,可有效模拟细导线附近场的变化。假定在细导线附加 的环向磁场和径向电场均按1 r 的规律变化,其中r 为距导线中心的距离。设图3 8 ( a ) 中导线沿z 方向,对于图示x o z 面内导线内部及含细导线元胞表面的环路,的场可 表示为 2 4 下载多大线系统的f d t d 方法研究 ;田寸钬 e xe , l j l ji一l o j;: e e e z ( ,一吉,z ,t ,+ 三)i f ,+ 三,五,t ,+ 圭 rr ff ( a ) 细导线附近x o z1 6 内元胞农i f i 的h y 求解示意图 ;叮诫 e ye , l jl h x h 。 、jl ;: e z e 亿,卜i 1 ,”争 ( t ,z ,+ 吉,置,+ 三) ,r ff ( b )细导线附近y o z 面内元胞农面的从求解不- - 思w - 图 图3 8 细导线附近h ,h 分量训算示意图 t ( i , a x , 缈,z ) = 0 量。( x , 缈,& ) :5 。( ( + 0 5 ) 缸,工缈,心) 垒丝 x h y ( x ,丘少,z ) :h ,( ( + o 5 ) a x ,l a y ,- z 2 ) 丝 x ( 3 - 7 ) i i + , - ( c ,+ 圭,l ,七+ 圭) = :,_ :( + 圭,工,七+ 三) ( 3 8 ) 一( 老) 【乳+ 扛川) 一乳+ 圭,矧h 卷) ( 高蹦川以七+ 这就是元胞含有细导线时的的f d t d 公式。同理,可推导出有细导线穿过的y o z 面上细导线右侧元胞表面回路出磁场日。( 如图3 8 ( b ) ) 的差分公式 髟”( ,以+ 三,尼+ 圭) = ,2 ( “+ 三i ,尼+ 三) + ( 老胆触小三一) 一珧小扣 _ ( 盎) ( 高蹦“”争 第二章午载天线系统的f d t d 模型及算法改进 对于日,根据式( 3 7 ) 的假设和法拉第定律,设导线沿z 方向,x o y 面内含细 导线元胞共有四个,可得到公式 h ? + 1 位( + 吉, + 圭,七) = 日? 。1 幢( + 互1 ,丘+ j 1 ,七) + j 石i 五i 夏芦a 二t 而 x e ( ,z + 三,足) 竽l n ( 垒) 一e ( + 丢,z ,是) 等l n ( 垒) ( 3 - 1 0 ) 2z晶 zz 坛 + e ( + , + 1 ,尼) 厶一e :( t + 1 , + 寺,k ) a y 同理可得其它三个与细导线相交的网格上的分量的差分公式。而与细导线 相邻元胞中的e 。,e 。e 时域推进计算不需要特别处理,应用常规f d t d 差分公式 即可。另外,离开导线一个网格以外的单元叶1 各个场量仍用普通f d t d 格式。 3 2 2 天线的馈电和激励 f d t d 方法分析天线问题的重要技术之一是馈电方法的模拟。就目前的研究一 般有三种馈电模拟方法:同轴线馈电法、缝隙馈电法( g a pf e e d ) 、周边馈电( f r i l lf e e d ) 法。其中同轴线馈电【l o 】【3 6 】是应用同轴线的传输线模型来模拟同轴线内的电磁场, 并在馈电处和天线场实现耦合。缝隙馈电【2 4 】【3 7 】【3 8 】是指在天线馈电处的一个网格的 缝隙上加入激励电压。周边馈电方式是在放置天线的载体表面上,天线根部卡甘邻 的四个径向电场分量加入激励源。下面给出缝隙馈电和同轴线馈电的基本方法。 ( 1 ) 缝隙馈电方式又称为万电压源激励【| 引,如图3 9 所示。线天线沿z 方向放置, 馈电点a 、b 相距一个网格,设置万电压源为u 一( t ) ,b 的坐标为( i ,j ,k ) ,其余的沿 线电场e 分量为零。这时满足 嘶j , k ) _ - 警( 3 - 1 1 ) 式中激励源电压u 一( t ) 可以是高斯脉冲或正弦波,z 为z 方向的空间步长。此时需 要对该馈电点周i 嗣的四个环向磁场分最的迭代公式进行修正。 图3 9 缝隙馈电方式 b ( f ,k ) 2 6 乍载多大线系统的f d t d 方法研究 另外电压源引起的天线上电流分布i ( t ) 可以通过求解包围该电场分量的磁场 线积分求得 i ( ( n a t ) = 血、h m + i 2 一,i - t x n + 1 1 2 t ) + 缈( r _ j ,n + l 肼2 一躺) ( 3 - 12 ) 这种方法与矩量法的万电压源模型类似。但是在m o m 中,g a p 无限小,而f d t d 巾,g a p 是一个窄间网格间隔。 ( 2 ) 同轴线馈电激励【i 0 1 同轴馈电是天线最常用的馈电方式之一。该方法将激励设置划分出来成为一 个单独的窄间( 激励窄问) ,在此窄间只存在与天线馈线相同的传输线,而所研究的 天线结构处于另一个网格空间之内( 天线结构空间) ,通过在激励空间设置激励源, 将能量耦合到天线网格中进行迭代计算。 首先必须对同轴线内的电磁场进行迭代计算。如图3 1 0 所示,假设在同轴线内 电磁场以t e m 波传输,根据传输线理论,同轴线内应用一维传输线模型,并在同 轴线口径上与外面的场相互耦合。 k = 麓,+ 1 k = k 。,k 1 = k 。, i k , 碧:o 七j 图3 1 0l 一轴线激励力式的f d t d 迭代示意图 根据传输线理论【3 9 1 ,中心差分近似后得到一维f d t d 方程为: 设在同轴线内k k ,。处设置激励源u ,则f d t d 迭代公式( 3 1 3 ) j j 口a 激励源后 变为:
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