（无线电物理专业论文）通用电磁仿真软件的设计及其在天线系统分析中的应用.pdf

电子 科技大学硕 i s 毕业论文 wit h t h e a c c e le r a te g r o w th o f th eh i g h p e r f o r m a n c e u b s ta n t i a l p r o g r e s s e l e c tr o m a g n e f c s m a d e a crd is s t ill m a k in g s c o m p u t e r s c o m p u ta t i o n a l a m o n g a ll t h e m e t h o d s t h e f d t d me t h o d a t t r a c t s mo re a n d mo re a tt e n t i o n b e c a u s e o f s o me o f i t s f e a t u re s i n t hi s a r ti c le fi r s tly w e s u m m a ri z e th e m e r i ts o f th e a lg o r ith m t o s h o w its f e a s ib ili t y f o r g e n e r a l e le c t r o m a g n e t ic s im u la ti o n s ti ll w e m a k e a ro u g h c o m p a r is o n o f t h e p o p u l a r f d t d s o ft w a re t o d e te r m in e h o w t o b e g in w ith a ft e r w e i ll u s tr a t e th e f u n c t io n o f th i s s o ft w a re w e s h o w s o m e w a y s to u p g ra d e i t s o m e u s e r m a y w a n t to k n o w m o re a b o u t th e f d t d m e t h o d s o in c h a p te r 2 w e b r in g u p t h e p r in c i p le o f t h e al g o ri th m a n a ly s i s s o m e o f th e t ic k le rs w e m e t d u r in g t h e p ro j e c t a n d s h o w h o w w e s e tt le d th e m t h e f o llo w i n g c h a p t e r c o n c e rn s t h e d e v e l o p m e n t a n d u s e r m a n u a l o f th e s o ft w a re w e s h o w th e a d v a n t a g e a n d w e a k p o in ts o f th e t h r e e p ro g r a m m i n g la n g u a g e s a n d t h e p r in c ip le o f d e v e lo p m e n t t h e n w e d e mo n s tr a t e h o w t o n r n t h e s o ft wa r e e v e n w e s h o w h o w t h e s o ft wa re wo r k s w h e n t h e u s e r ru n s t h e s im u la ti o n w h i c h is al w a y s a b la c k b o x w h e n u s in g o th e r s o ft w a re i n th e la s t c h a p t e r th e re二s o m e t e s ti n g e x a m p le s a n d t h e re s u lts a re li s te d t h e re a ll in a ll th e f d t d m e th o d h a s g re a t a d v a n ta g e in th e d e v e lo p m e n t o f g e n e r a l e m s im u la tio n s o ft w a re y e t b e c a u s e o f th e d e fi c ie n c y o f t h e a u th o r s k n o w le d g e a n d t im e li m ita ti o n t h e i 二 s ti ll m u c h r o o m f o r t h e s o ft w a re d e v e lo p m e n t b u t w e h o p e w e h a v e m a d e a p o s iti v e c o n t r ib u tio n f o r t h e f o ll o w in g re s e a r c h e r to f u r th e r im p ro v e th e s o ft w a r e k e y w o r d s c o m p u ta ti o n a l e l e c tt o m a g n e ti c s e le c tr o m a g n e t ic s s i m u la t io n f d t d a n t e r u m a s p l a n a r c i r c u i t 电子科技大学硕 i 论文 第一章 总论 随 着高 性能 计 算机 的 发 展 在电 磁场 与 微波 技术 学 桂 以 电 磁 场理 论为 基 础 以 高性 能计算机技术为手 段和工具 利 用计算数学提供 的各种方 法 诞生 了 一门 解决复杂电 磁场与微波工程问 题的学利 计算电 磁学 其中主要有二 属于频域技术的 有限元法 矩9 祛和单矩法 等 属于时域技术的时域有限差 分 f d t d 法 传输线矩阵法和时润 眺 只 分法 此外 还有属于高频技术的 几何 绕射 理论 和 绕射物理理论 翻中 方 法 都具有自 己 的 特点 和局限 性 在实 践中 又 经常 把它们相互配合而形成各 种混合方法 计算电 磁学的 研究第一步是 对电 磁学问 题 进行分析 抓住 一 些卞 要因 素 忽略各 种次 要因 素 建 立起相 应的电 磁和 数学模型 在电 磁数 学 模型 确定 之 后 就要选择算法并使之在计算机 上实现 下面我们主要考虑一下本文所采取的 算 ik 一 一 日 寸 域 有 卜 磋分 澎 ip 13 1 115 1 1 1 时域有限差分法 1 1 1时域有限 差分法的 特点 作为一种电磁场的数值计 算方法 时域有限差分法具有一些非常突出 的特 点 也是它的 优点 其中最主 要的 有以 下几个方 面 1 创妾 时 域 计算 时 域有限 差 分 法直 侧巴 含 时 间 偏导 的m a x w e ll 旋 度 方 程在 e e氏 网 格空间中 转换为 差分方 程 在 这种 差分格式 里每个网 格点上的 电 场 或磁场 分量 仅与与它相邻的 磁场 或电 场 分量及上一时间步该点的 场 值有 关 在每一时间 步计 算网 格空间 各点 的电 场和 磁场 分量 随 着时间 步的 拍 进 即 能 模拟电 磁波的 传播及其与 物体的 相 互作 用 时 域有限 差 分法 把各类 问 题都作为 初值问 题来处理 使电 磁 波时 域特性 被育 接反映出 来 这一 特点 使 它能直接给出 清晰的 物理图 像 如果需要频域信息 则只需 对时 域信息进行 f o u ri e r 变换 为获得宽 频带的 信息 只需 在宽 频谱的 脉冲激励下 进行一次 计 算 2 广 泛的 适 用 性 由 于时 域 有限 差 分 法 的 直 接出 发 点 就是 概括了 电 磁 场 普 遍规律的 m a x w e ll方 程 这就预示着 这一方法具有 最广泛的适用 性 近几 年的 发展完全证实了 这点 6 117 1 从具体的 算法看 在时 域有限 差分法 格式中被 模拟空间的电磁特性的参量是按空间网格给出的 因此 只需设定相应空间点 电了 科技人学硕1 论文 以 适当的参数 就可模 拟各 种复杂的电 磁结构 媒质的非均匀 性 各向异 性 色散 特性和非 线性 等均能 很容 易 i tk i a 行 精 确模 拟 州可 问 题只 要能正 确地 对源 和结构进行模拟 时域有限差分法就可以 给出 正确的解答 不管是散射 辐剖 币 绒俞 透沁勿 及 11r 中 的 哪一种 也 不 论是瞬 态问 题还是 稳态问 题 3 节 约存储空间 和 计算日 寸 间 在时 域有限 差分法中 每个网 格电 场和 磁场 的 六 个 分rr 及 其 上一 时 间 步的 值是 必 须存 储的 此夕 h ill 有 描 述 各网 格电 磁 特 性 的 参数以 及 吸收边界 和 连接条件的 有关参 量 它们一 般是空 间网 格总 数n的数 倍 所以 r f i 或 有限 差 分vi i 需 要的 存 储空 间 直接由 仿 真所需的网 格空间 决 定 与网格总数n成正比 在计算时 每个网格的电 磁场都按同样的差分格式计 算 所以 就所需要的 计算时间 而言 也是与网 格总 数成正比 相比 之下 若离散 单 元也 是n 则 矩量 法所需的 存储空间 与 3 n 成正比 2 13 1 而所 需的 c p u时 间 则 与 口 的 至 3 的 成 正 比 当nr 匕 较 大 时 两 者 的 差 别 剥良 明 显 的 所以 当n很大时 时域有限 差分法往往 是习查 合的 方法 4 适合并 行计 算 很多 复 杂的电 磁 场问 题不 能计 算往 往 不是 没有司 选用 的 方 祛 而 是由 于 计 0 条件 的限 制 当 代电 子 计算机的 发展 方向 是 采用并 行处 理技 术以 进一步提高i1 算逾 并行el 算机的 发展推动了 数 值计 算中 并行 处理 的 研究 适合并 行计 算的 方 法将更多 地发 挥作 用 如前 面所 指出 的 时 域有限 差 分 法每 一网 格点 上 的电 场 或 磁 场 只 与 周围 相 邻网 格 处 的 磁场 或电 场 及其 上一时间 步的 场值有 关 这使得它 特别 适合 于并 行计算 s 计 新钧 字 的 通 用 性 由 于m a x w e ll 方 程式 是 时 域 有限 差 分 法 计 算 任何 问 题的数学模型 因而 它的基本差分力 程对广 泛的问 题是不变的 此外 吸收 边界 条件 和 连接 条件对 很多问 题是可以 通用的 而计算刘 象的模拟是 澎丈 给网 格赋予参 数来实现的 对以 上各部 分没 有 直接 联系 可以 独立 进 行 因 此一个 基础的 时 域有限 差分 计斯t 序 对 广泛的电 磁 场问 题具 有 通 用性 对不同 的问 题或不同的 对象只 需修改有关 部分 而大部分 是 共同 的 6 简 单 直 观 容易 掌 握 由 于 时 域 有限 差 分 法 直 接 从m a x w e ll 力 程出 发 不需要任何导出 方程 这样就避免了 侧泪 更多的数学工具 使捐它成为所 有电 磁 场计 算方法中 最简 单的一 种 其次 由 于它自 崖喂在时 域中 模 拟电 磁波 的传播及其与 物体作用的物理丈 程 所以 它又是非常直观的研中 方法 只要有 电 磁场的基本理论知识 不需要数学上的很多 准备 就可以 学习 运用这一方法 解决 很复 杂的 电 磁 场问 题 这 样 这一 方 法 很 容 易 就 得 到 掏升 并 在 i r j 泛的 领域得到应用 1 1 2时域有限 差分法的 应用 由 于时 域有限 差分法的 特点 使得它获得了 其他方法不能与 之相比的 广泛 应用 至 1o t 在为止 它 几乎ix l 月 至 叮 了 电 磁 场工 程中的 各个 方 面 而且其 应 用的 电子科技人学硕 论文 范围 和成效还正 在迅速扩大和 提高 6 p 1 下面 将就时 域有限差 分法 应用的一些 主要方面及其所显示的优势加以 阐述 1 在电 磁兼 容问 题中 的 赴 朔习 电 磁兼容性越来 越受到人们的重视 其中 有许多复杂的电 磁场计 算问 题 透入 和串 扰是 两个 最具 特点的问 题 所谓 透入 问 题主要是 指 干 扰源 通过 孔 缝 等电 i 知 函 道向目 标内 部的 能量祸 合 服胃 串 扰主 要是 指二 干 i m 寸 导 线或电 缆的 藕合和导线之间的串 扰 为了 计算这些复杂的电 磁问 题 首先a3寸 这些复杂结 构 a l 于 正 a的 模拟 而时 域 有限 差分 法正 是在 这方面 具有 其 突出 的 优越胜 因 此 时域有限差分法己被 用来计算非 常复杂的电 磁兼容问 题 由 于时域有限差 分 法的 直接时 域计 算的 特性 因而 对 核电 磁 脉冲的 仿真 特别 适合 并在 这方面 已 经取得了 很多重要的成果 2 在天 线 辐 身 扮 寺 性计 算中 的 应 用 13 1 4 1 5 h t j 或 有限差分法用于天线辐身 的61 算虽然开始较晚 但发 展很快 现在己 经涉及至 j 多种类型的问 题 除线性振子天 线之外 还有微带天 线 喇叭天线和 反 射面 天线等 h 杜 有限 差分 法用 于 天线 辐射计 算的 优 越性 u 燃是对复 劣 牲 吉 构 的 模拟能力 时域有限 差分 法在计 算天线的 瞬态辐射特性方面具有突出的 优 点 天 线的 瞬态辐 身 信息 有利于 深刻 裤 电 磁 波辐射的 详细 过程 对改 进天 线 的 性能毛 有重要 的意义 此外 日 寸 域有限 差 分法的 直接时 域 计算在 天线的宽 频 带辐射特性的计算中也显示出了突出的 优点 只需采用适当的脉冲作为激励 源 由 天线的瞬态辐m 特性中即可获得其宽频带辐射特性 时 域有限差分法不 汉 用来ii 算天线辐射的方向 性 也可 计算天线中的各种重要的 辐射参量 3 在 微波电 路和 光 路时 域分析中 的 应 用 13 1 4 1 5 微波电 路和光 路的时域分析 是时域 有限差分 法被成功 应 用的另一个 重要方 面 随着蒯 言 和雷达技术的发展 高 速和 宽带器件显得越来越重要 而且需要 了解它们的宽频带和包括时间 在内的四维信息 在解决这类问 题 f5 面 传统的 频域方 法已 显得力 不加b 而时 域限差 分 法却由 于它所具 有的 特点 显示出 很大 的 优遴 性 即 不仅能 过一次 运行 得 到宽频 带信 息 而 且可以 了 解脉刚言 号 在 电 路中 的 详细 传输 过程 从而 大大 加 深了 对电 路工作原 理的 深刻理 解 现在 用时域有限 差分法不仅分析了 均匀4 俞 结构 而月 分析了 各种非均匀性 甚至 诸如定向 祸合器 7j 助 器 等一 些功能 器 件的 传 输 特性 不仅包 括 波导及其 器件 还涉及 到微114 线 共面波 导 和槽线等 最近随着 把时 域有 限 差 分法 用于留各 的 分析1护 在这方面的 应用还具有巨 大的潜力 必将发挥更大的作用 此外 时 域 有 限 差 分 法 在 生 物电 磁计 量 学 无 线 通 信 信 道 模 型 研 究161 17 1等 方面的应用正在受到越来 越 泛的重视 1 1 3 与本文1作相关的时 域有限 差分法技术 电了 科技大学硕 1 论文 t 吸收 边界的 应用和不断改善 为 了 用 有限 的 计算空间 来模 拟无限 大的 物理空f日 j 就要设 法消 除电 磁波在网 格空 间 边界上的 反射 也 就是 要能 吸收 掉 到 达 边界 上的电 磁波 吸收电 磁 波有硬 边界和 软边界 两种方案 服胃 软 边界 是 在边界处让电磁波满足一定的吸收边界条件 以消除电 磁波从边界面上的反 射 所谓 硬边界就是在 边界 处设 置一定的 吸收 才 料 使传 播至 她界的电 磁波衰 减 从而 减少反 射 软 边界由 于 其简单紧 凑 网 格占 用少而 在 许多的电 磁仿 真 软件 中获 得很多 应用 硬边界 则由 于 其良 好的 吸收 特性 据文 献11 及 道 它的 总体网 格噪声为 m u r 二 价吸收 边界的1 1 0 吸引了 越来 越多 的中 高级 使用 者 2 实 现任意入射 波的 设置 对于本文 来讲 主 要包括不同 时空 特it 的 源 的设置 是强制源还是叠加源 是正弦源还是高斯源 3 远 场的计 算 由 于电 磁 仿真的 硬件和 仿 真时间的限 制 在计 算 辐射结 构的 远 场方向图 一般不可育 l q 计 算空间 取到 真正 意义上的 远场 r 不 过根据惠更斯原理 rl 门 可以 方便 地从 近场推出 远场 a i 门 还可规定一个 规则 的等效面 由一个通用f 9 字 求得该 等效面上的 切向 磁场和电 场分量 4 更 可 计算 出 远区散m 场 这个 过程与 等效面内 部具体的 辐射结构无关 这样可使远区 辐 射 场的程 序通用化 1 2 本课 题的 工作 及意义 1 2 1 时域有限 差 分软 件目 前的 研究 动态 目 6 if i flq 或 有限 差 汾法进 行电 磁 场 仿真的 软 件有 很多 应 用在各州页 域 主要分为通用软件和专用软件 应用较为广泛的通用软件有 x f d t d q f d t d 9 0 e m u f d td f d 丁 d s o lv e r d s 1 3 d等 专用软件则有 e m a系列 v 胜和a p s im系 列 软 件 e z f d 一 等 各 软 件 都 有自 己 独待 的 功 能 1 2 1 1 各软 件的 特点 和主 要应 用范围 t o y f d t d 是网上很少的公布源代码的几个 f d t d 程序之一 h t tp g f s lc s e w n n e d u t o y f d td f f o y f d t d h tm l 它的目 的 是为了 给 初 学f d t d 法的 人以 直观 形象的 概念 特点 是 m字 可 it 好 但它 功能 单一 只能 输出 有 限的几个场量 具创p 大的局限 性 e m u f d t d w w w b r u n e l a c u k re s e a rc h fd td e tn t唯 u id e 0 0 c o n te n ts h tr n l 是由 英国布鲁诺大学电 子和f l 算机工 程系 开发的三维电 磁场通用 仿真软件 由 英国学院委员 会免费提供给教学和私 盯用 其主要特点是采用荆于f d t d算 法 简便 快 捷 亡 要 应 用于 分 离 或集 成 微 波电 路的 设 计 雷 达反 射 截 面 预 测 电了 科技人学硕 七 论文 电离 层和等离子体散fi j 集 成光学系统 电 磁剂量学 电 磁兼容 天线设计等 等 q f d t d 9 0 h ttp ito h e e u c la e d ii y g ia n f d td h t m 是由 加 州 大 学电 子 工 程 系开 发的 一 种全 波电 磁场仿 真器 用f o rt r a n 9 0编码 支 持大多 数计 算 机平 台 如 微机 工 作 站 主 要 适用 于平 面型电 路和 天线 多 数 基于微带 线 c p w 共 面 波导 c p s 共 面 线 槽 状 线 电 介 质 波导 包 括 微 带 v 也 线 微 带 低 通 滤波器 微带分支线藕合 器 共面带状线f 不连续性 介质波导表面波发生器 微带 插入 馈电 天 线贴片 天 线 微带馈电 折合 缝隙 天 线 共面波 导 馈电 缝隙 天线 无限 大 接地 而上 锥 形 缝 隙 天 线 单面 准 休天 线 q f d t d 9 0 能 实 现决 速仿 真 并 提供 源程巧 气 代 码 便于用户升级 x f d t d 是 山r e m c o m h ttp w w w re m c o m in c c o m 公 司 提 供 的 商 业 通 用 软 件 它充分利用 f d t d法的 忧越 性 有较成熟的界面和计算模块 是目 前 应用 较广 泛的软 例 之一 其主 要 适用范围 为 有 耗电 磁介 质和 各向 异性 铁氧体 可 进行 微波电 路 s参数 天线输入 阻抗 和辐射场计算 还可仿真生 物体与电 磁波相互作用 x f d t d界面允许直接输入二 三维c a d文件并加以 编辑处 理 另 外 r e m c o m公司还提供多 处理器计算模块 mp m 能大幅 度提高计 算速度 e m a有限公司开发出一系列采用 f d t d法的仿真软件 其中e m a 3 d w w w c s n n e t e m a d e n e m a 3 d h t m l 用于解 直角 坐 标卜 的 三维麦氏 方程 主 要应用于多 结点的细电 线 末端负载电阻 电 抗及单位长度 窄间隙 频率 选择表面和有耗表面的 传 寺 俞 阻 抗 平面波 源 有耗电 介质等 它有嵌套的子网 格 还考虑了时 变空气导电 率 另 外 还利用了 功能强大的c a d fi x图 形界 面 对 数 据 及 结 果 作前 后 期 处 理 e m a 3 d c y l用 于 解 圆 柱 坐 标 下 的 三 维 麦 氏 方 程 对蔚 尧 属 物体 有耗电 介 质 细导 红 拜 q 组合 板自 动生 成差分网 格 m h a m e s s 用于 解多导体t e m传输方程 主要适用于多导体 多层支线 多匹 酉 己 丢 导线 模型等 它允许 用户 将结构分块定义 力 提供 与 s p i c e相连 接的界 面以 便对 导体 进行 更为复 杂的限定 e m a c a b l e 包含 六 个 程字 模块 有 三个 模块是时 域有限差分 有三个是频域有限差分 分别 用于有来 日 也 面的 上方 表面 下方 导 体的 仿 真 或者是完 纯导 体上 面导 体的 仿 真 该 软 件在仿 真大 功率 或 远不 m 信电 缆的电磁场a合时很有用 z e la n d w w w z e la n d c o m 软 件公 司 开 发的 软 件中 f i d e l i t y是基于f d t d 法的全波 三维仿工 题 软件 主要应用于微波电 路和天线的仿真 如完整的吸收比 率 s a p s p e c ifi c a b s o r p tio n r a te 计 算 细 线 模 型 转 漏 獭耗 等 它 可 仿 真 平 面或三 维的 金 属 电 介质结 构 能仿真各 种 非各向 同 性 物质 月x j 仿真物质的 数量没有限制 允 许用户自 定 义端口 对结构自 动剖分非均匀网 格 并 可对局 t y j 进 行二次网 格剖分 i 尤 极月也 增强了 其仿 真能力 1 匕 了科技人学硕 论文 由 艾 姆vk u 有 限 公 司 h ttp j w w w e m c t c o m c n 开 发 了 一 系 列入 p s im软 件 主 要 用于 解决p c b 设 计 中 的 电 磁兼 容性 e m c 问 题 信 号完 整敞s ig a l i n te g ity 问 题 a p s im f d t d是 一 个采 用 a ll 域有 限 差 分 的 三 维 全波电 磁 仿真 器 它精确考虑了 频率升高时信号的完整性与高频时e m i 仿真的 特殊胜 质 比 其 它静态的二维 三维仿真器 有更宽的频率范围 和更好的准确 度 这就使 它在e m i 及 高 知 乡 左 用中 非 常 理 想 另 外 还 有 许 多 问 题 特 另 j 适合 于 用a p s im f d t d处 理 一条具 有自 锅的时钟分布的 走线 在p c b板上含有3 维结构 如i c的引 线与 一条线 过孔或是地平面间的 相互作用 在高 频时 3 维结构中 如过孔 导 线 i c的 封 装 中 的 返 回 电 流 本 来 特 别 难以 处 理 但a p s i m f d t d却 非 常 适 于 解 决 此 类问 题 a p s im f d t d能 象对 导 磁率 冲 t x ii 绝 缘 率的 变 m 行 仿 真 这 样 就m 9 f 4 性 材料和绝缘材米 隧行准确地仿 真 三维全波非线性s i 和e m i 仿真 软 件由f d t d p g e d i to r f d t d s p i c e f d t d s p a r等 工具 组 成 适合于 工作频率在 i g h z 以上的线j断叫卜 纷性 系 统的 信号完整胜 电 源完整性以 及电 磁兼容性的分析和仿真 能i 嫦精确f l 合 出 三维的电 磁场空间分布图 信号 线 的 波形图 h i原 信号的波形图 等 e m s p lu s w w w e m s p lu s c o m 公 司 提 供 基 于f d t d 法 的 软 件e z f d t d 频段可m韵h 有应用要求 主 要应用于屏蔽分析 填充性能分 析 空腔 屏蔽 腔谐振 散a 寸 层分 析 接地分 析 铁氧体滤波器分析 平板 辐剔 天线应 湃 测试点分析 o a t s g t e m 无回声腔等 有友好用户界面 wm d o w s 9 5 9 8 n t 平台 都能支持 d s i 3 d h t t p w w v v il n l g o v e n g e e e r d c e e ta c m d s i3 d h tm l 是 一 种 用于 三 维 电 磁场仿 真领域的 不 f j 字 在u t i 毓 q 麦氏方 程 网 格没 有规则的 结 构 而是由 四 面 体 六面体 三 棱 柱 棱锥 所组成 它采 用共形网 格实 瓣 d 特殊 边界 的良 好 模拟 模型的灵活性允 许我if 有效 囱 裤 wr 多三 维问 题 包括 十分复杂的 几 何结构 因此被 广勿1 用于不同 仿真领域 如 计算初 区 汇 连 附加元件 复 杂 的波导结构 f d t d s o lv e r 是宾夕 法尼亚州 立大 学开 发的 一 套三维 仿真 软 件 它的 主要 特点 是 采 用了 共 形网 格和非 均 匀网 格 模 拟结 构 选 取g e d n e y完 全匹 配 层 p m l 作为 截断边界 适用于微带电路 分析 天线分 析 周 期性结 构分 析 互 连结构分 析及目 林恃胜 提取 有v i s u a l b a s ic开 发的图 形化 输入 界面 美中 不足的是输入参数界 面略显粗糙且 输出 参数不 很全面 只 有场 电流 恕e 及远场方向图 并 且此软件目 前仍处于测i 司 价 段 还不很成熟 1 2 1 2各 软 件 优缺点 比 较与分 析 从 技术 层而上 看 各 软 件在外部 结构 和内 部 技术 上 采用不同的 处 理 由 此 电了科技大学硕 论文 也 可以 看出 它们的 优点 和局限 性 附 表一 二 举出 各自 的 特点 山 表中的比 较 我们可以 看出 虽 然各软件有自 己的 优点 但也存在不足 之处 比 如 e m u f d td不 能 在 个 人微 利 比实 现 后处 理的图 形结 果需 另 外的 软件 环 境 支 持 只 采 用 均 匀网 格 不 能 实 现 刘 特脚立 界 的良 好 模 拟 q f d t d 9 0 15 1 由 于只采 用 m u r 二阶吸收边界 不 适用于高 色散的宽 书 踢j性 结 构 由 于忽略 传 输损耗 不能得出 天线的 绝讨 增益 出 于 刘 计算 机内 存需求的 考虑 不 能实 现对各向 异性 和磁性木 州 m 的仿真等 特别 是又 创 于微带电 路5参数的 计算不是 很智能化 需要自己用户产生 两个结构文件 根据各软件的 功能和适用范围 洲门 可以大致 0 冬 它们分为以 下几个级别 基 本级 均匀 划分网 格 能 实 现一般的 三维电 磁 场仿真 输出 指定点的时 频 域 电 磁 场 分 布 如t o y f d t d e m u f d t d e z f d t d 中 级 采用多利 e 较高 级 采用多 种ii l ll 源 局 t 姻 网 格或非直角网 格 能实 现一 般的 三维 电 磁场仿真 输出指定点的时 频域电 砧 牡 石 分布 5参数 远场方向图 生 成 可 执行文 件 用方i 更 直 观的界 面对多数结果 进行图 形可视化处理 如x f d t d q f d t d 9 0 a 这样的大致分级 也可 作为 洲门 以 后工作的 参考 1 2 2 本文的主要用户刘 象 由以 上分析可以 看到 现在国内 外的f d t d程序的 很多 但功能强大的 通用性程序大部分都是商业的 公布源代码的 私 芽 赘 功能一般都很 单一 例如 t o y f d t d只能 输出 空间 场值 这样 不 仅难于 对软 件进行二次开发 同 时 对于深入理 解 f d t d法的内 核并没有很大的帮助 由 此我们开发了 本软件 一方 面 对于初级 用户 本软 件不要求 他们 具有很高的电 磁 场理 说 q 识 仅需 要x 1 基本的时域有限差分理论具有一定的了解 洲门 特把 f d t i 法基础知识 写 入本 文 所以 他们可以 很容易 地用之来作一 些简单的电 磁 仿真 解决 简单 的电 磁场问 题 特别 有 助于 初 级 用 户 形 象 直 观 的了 解时 域电 砌易 分 布 另 一 方 面 对于中高 级用户 本文在工 作 过程中 一 方 面注意了 实 用性 同 时 也随时 住意 了 软件的可扩展性 采用模块化 面向 x 水 象 的 彻赘 设计方法 所以 似门 也可很 容易的 在本 软 件的基础上作二 次开发 开 发出 适于自 己 研究的 效率 更高 的专 用程序 总之 本软件 适用于电 磁场仿真的许多方面 无论对于禾 阿 工程 教学都具有一定的实用价值 1 2 3本文的主要工作及特点 电1 性 科技人 学硕 卜 论文 本文 工作完成后 将 产生一个中 级 或援近 中 级的 3 澎月 电 磁 场仿 真软件 1 实 1 见 三 维 完 全匹 配 层 p m l p e r f e c tl y m a tc h e d l a y e r 本 文 采 取了目 前国外普遍采用的各向异性单轴媒质完全匹配层作为吸收边界 它吸收特性 好 物理机制明确 并且可以 吸收凋落模 实际己 证明 它是一种行之有效的 截 断 边界 并巨 我 们证 明了 这个 匹 酬丢 的 时 间 步 进算 法 在 各 个 匹 配 层 子 区 域中 会自 动 退化为 相应正 确的步 进形 式 这 样洲门 就在阳6 涅 序的 复杂性 方 面实 现 了 一 个飞 跃 即 洲门 可以 采用 一 个匹 酉 己 会 公 式来 对 全匹 酉 己空间 朔于 差 分 从 后文可以 看出 这样做极大地提高了了 编程效率 同时也在某些方面提高了 程 序的执行 效率 2 实现近 远场变换 因为本文的一个 重要工作是天线研究八天 线的方向 图 计 算是 一 个重要内 容 洲门 划 定一个 刻闭 等效 面 来包 围 辐射体 从通 用程序 得到 等效面上的 等 效电 流 磁流 进而司 得到 远场方向 图 整 个过 程与 具体的 辐射结构无关 z 事 因此就具有很好的 通用性 3 实现多 种 i 源 本 文的 朗 ir 源 最多 可以 设 置到1 0 0 0 个 可以 是正 弦源 高斯源 点源 面源 特别地 为了分 析某些多馈点天线和 相控阵天 线 本文中用户可以指定激励的初相 4 可 输出 指定点的 时 频域电 磁场分布 电 流分 布 指定端口 的s参 数 阻抗 远场方向图等 5 实现三维图 形化 输入 作为 一个中间 级的f d t i 仿真软 件 直观方 便的图形化的 输入界面是一个不可缺少的 组件 洲门 采用v is u a l b a s ic 作了 一 个基本的易于升级的界面 在m a d a b 里 实 现 输出 结 果的 可 视化 将以 上工 作 集成至 一个 程序包g e m s g e n e r a l e m s im u la t io n 句7 1 2 4本文的后续工作 本软件具有以卜 几个不 足之处 尚需改进 1 对于有耗a 的 模拟 对于 有耗媒 质 本文尚 不能 给 予良 好的 模 拟 这极大限 制了 本文的应用范围 因 ka一方面的工作就显榭r 迫切 建议仍采 用g e d n e y p m l 但 换 用 有 耗 媒 质 下 的 匹 酉 己 会 差 分 公 式 而 软 件的 其 他部 分 都 不用做很大 j内 变动 2 难于 模 拟非 六面 体 结 构 山于 本 软 件 的 差 分 格式 基于 直角 坐 标 这样 对于非直角物体训良 难模拟 虽然在某些地力 可以 采用阶梯ja i 以 精度幻 燃不 尽 人 意18 1建 议 采 用s u b g r id d in g 技术 in k结 合 三 角 剖 分51 或曲 线 网 格 模 拟9 j 估计此问 题会得到比较好的解决 3 由 于时i h 1 限 制 本 软 件的 后处 理 仍 需m a tl a b i 作 环 境 后 续 工 作 将 使本 软件成为一个可以 独立于 其它软件支 持之外的功能强 大的软件包 电子科技大学硕 卜 论文 4 山于考虑了通用性 本软件的效率有所下降 特别是如果引入 s u b g ri d d in g 后 十 反 据c o u r a n t 稳 定 条件 小 的 空间 网 格决 定了f d t d 仿 真的 时 间步 长不能很 大 同 样的问 题可能需要更 多的 时间 步来仿真 系统效刻4 进一 步 下降 为 解决 这个 难 题 我 们建议 采 取a d i 方 法 a lte rn a t in g d ire c t io n i m p l ic it m e t h o d 1 o a d i 一 f d t i 法具 有无 条 件 稳 定 性 这样 可以 不 受c o u r a n t 稳定刹牛 的限制 在保证精度的清 况下 f d t d仿真的 时间 可以 大沐 乡 昌 短 5 本 软件的界面部分由 于时间关系 并不剥 r 令人满意 特别是 对于复 杂结构的 输入显捌良 烦琐 建议 采用v i s u a l b a s ic 集成a u to c a d 技术 这样整 个结构输入 过程0 将二有 很大的改进 附 表一 目 前 流 行 的 时 域 有限 差 分 法撇 彭c 材卜 m m b 凌 软件名称 作 卜 台界面主要 输出 参数 后处理方屹 e mu i d t dun i x x mu t i f 窗口 图 朋扫月 户界 面 娜 有 图 形 无办 ui i q f d i 1 为 x t 寺 f o m m 9 0的平 台无 场分布 5 参数 远 场方向 图 数 业文 件口 视化 xf dtd 运行 于多 科 操作 系 统 wi n d o ws u n i x l i n u x 图形i 州户界面 一 三维c a 文 娜 1 多日s 参数 远场 力向 图 刀戈 方向 图 s ar 结果图形刊 丰 t 七 e ma3 dwi n d o ors c a df m g u i 当佳 c a d文 电 wa 5 布 s 参数 远场力向图 图形司 m 力 a c a d f ix进行后处理 ml u v n e v s p ice mh a rt o s s 界 面翔if p i l l 亢 传山 l 或c 娜 车 由戈 数 据文 件 可 与s p ice su e z f d t 1 晰n 协 i s 图 洲扫月 户界 面电 磁场分 布 图 形结果可 动a l f d t d0 s o l v e lwi o d mo s 岸 牙v b 的g u i1 h 布 s 参数 远 场方向 图 生 k ml r f x 图文 件 e m p irewin d o w s u ni x 直a 啦勺 g u i a u to c a 1 作图 5 参 数 场分 布 图 辐习 士 方 向图 生戊 数 据文 件 自 动t m 形 电了科技大学硕 i s 论文 附表二二目 肩 的 耐 了 的 时 域 有限 f t劫猫晰琳内 翻 股术理 凌 软 件 名 称 激励源网格剖分 边界条件 ilf i al l 7 n 公 李 的类型 e mu i d t d if a m i1jifjf 均匀 失 巨 形网 格mu r 吸收边界 p e c qf d t d 9 0 if i 源 f i 斯源 f 形网格 三角 形网 格 m m吸收边界 p e c p mc x f d t d 平 山 被 集危1 回颇 集 q i 山 长 源 局幽 ll 网格l ia o吸收边界 p ml 吸目 如 边 界 p e c p mc e ma3 d ai j 4 正弓 y il f 囚 十 1 回 乙 l u 乙 密度 州洲 i密度 i 少 n 磁场 1 9 1 1被 局卜 i ii 网格p m l 吸收边 界 mu r 吸收边 界 梅p j x i w收边界 p e c 开放 问题 的静磁 ma mh v n s if f j 杭 面 波源 点 l iw 0 点1 囚i 砺 e ma 3 d c y l 平山 17 u i l 7 f i 琳 a p simf d r d 平山 1 a 点电i f i i 原 点i l lt p i 沟 匀网格p m l吸收边界 p e c p mc f d t d s d lv c r d il u j si一i r l y i 网格p ml 吸收边界 mw吸收边界 p e c p mc 电子 科技大学硕 卜 论文 第二章 f d t d方法的基本知识 时 域有限差分 法 f in i te d iff e re n c e t im e d o m a in m e t h o d 简称f d t d法 属于 微分方 程方法 它最早由k s y e o l在1 9 6 6 年提出 其后 得到了 不断的 发 展 采用f d t d法 求解电 磁 场问 题 由 于 其直 接对麦克 斯韦 旋度力 程差 分 因 此具有 气乏 的适用性 且易于实现 由 于它是 种时域方法 可以 获 将 划 r 感兴 趣的 时 j a 量 电 流 电 压波形 通土 采 用 脉冲 源币 ft 励 结 合傅立叶 变 换 我 们 还可以 通 过一 次 计 算获 得 脉 冲 所 包含 各 有 效 步 醋的 响 应 同 频 域方 祛 相旧这 将节省大量 的 计算时 间 f d 一 法 现已 初 泛创泪 于电 磁 辐 射与散 射 天线分析 电 磁兼容 技术 等多 种电 磁问 题的 求 解 本章 将从 麦克 斯韦方 程出 发 阐 述时 域有限 差分 法的 基本 原 理 稳定 性 条 件 吸 收 边 界 条件 环 路 积 分 解 释 黯 本问题 2 1时域有限 差分法的 基本原理 2 1 1 有限 差 分 的概 念 有限差分法简 称差分 法 其基本原理是用 差分替代微分 从而将复杂的 微 分 方程转化为代数方 程 再借助于计 算fu 其数值解 设 函 数f x 其 独 立 变 量z 有 一 很 小 的 增 量a x 二 h 则 相 应 的 该 函 数 f x 的 增 量 为 o f 一 f x h 一 a x 2 1 它 称 为 函 数f 二 的 一 阶 差 分 因 为 是 有 限 量 的 差 故 称 为 有 限 差 分 而 一 阶 差 分d f除以 增 量h 的 值 即 一 阶差 商 电了 科技大 学硕 i 论文 坐 ax f x h 一 x h 2 2 二 iit4 a 二 d f j7 g 9j u l 7 1 e 1 1 j i u 4 n y l 1 r 1 d x 而 n j 于 2 6 式 有 电子 科技大学硕 论文 二 一 f 一 2 h 兰 d f d x 3 d x 2 9 很 明 显 中 心 v 2 9 式 f t 微 分 的 截 蜷差 为 o 伪 当 h 较 小 时 用 差 分 ff q 敖 分 将获得足够的韦 渡 2 1 2 日 翎惰限 差 分 法 简 述 1 y e e 差分格式 我们从麦克 斯韦方程组出 发 d x e r t 一 a h r t 一 p h r t at 2 1 0 1 o x h r t 一 二 旦 e r t v e r 口 t 0 b r t 二0 0 d r 1 p r t 其中 e为电 场 伏 特 为 h为 磁 场 安 脚狗 2 1 0 幻 但 1 0 匀 仁1 0 4 d为电 通密 凰库仑米2 b 为 磁 通 密 度 韦 伯 米 j r t 为电 流 密 度 安 l 米 而p r t 为电 荷 密 度 库 e 米 对于 时 变电 磁 场 上 述麦 克 斯 韦 方 程组 的 2 1 0 3 2 1 0 4 可由 2 1 0 1 2 1 0 2 导 出 例 如 对 式 2 1 0 1 两 边 i x即 得 2 1 0 3 对 x 2 1 0 2 两边取m 并利用 连续性 方程 d j r t a p r 勺 a t 0 2 1 1 即 得 到 2 1 0 4 式 因 此 研究电 磁 问 题可以 从 两 个 旋度问 题 作 为出 发点 在直角坐 标系中 将 2 1 0 1 和 2 1 0 2 中 的电 磁场矢量分 另 11 写 为x y 分 量式 有 电子 科技大学倾 卜 论文 2 1 2 1 a 一 关一日 日l a h a t o e 下二一户 月1i o z 2 1 2 1 b 己 h a t 一 ph i 一 2 1 2 1 c 2 1 2 2 a 兰 胜击 1 兴婿怨籍 虹俞 ae at 一 1 ahe a 一 dh a x 一 一 6e at 一 去 ah e a x 一 ah ay 一 2 1 2 2 b 2 1 2 2 c 以上六个偏微分方程是 f d t d算法的基 础 为了 将上面的分量刹左 式 进行差 分 应当 将考察的 空间 进行离 散 也 就是 建立 空间网 格 y e e 采用 矩形网 格来 进行空间离散 将每个p 点 进 7 v号 节点的 编号和其空间坐标位置按照下面的 方丘 训应 起宋 i j 劝 iax j o y k l z 2 1 3 而该 点 的 任意函 数f x y z t 在 时 刻n o t 的 值 可以 表 示为 f i j k 二 斗a x j d y k d z n d t 2 1 4 1 4 电了 科技人学硕 论