用CAD技术实现复杂目标FDTD方法几何—电磁建模

ＦＤＴＤ方法是近年来得到广泛研究和应用的数值方法,具有许多无可比拟的优越性。ＣＡＤ技术的介入使ＦＤＴＤ方法向实用化方向迈出了一大步。本文介绍如何使用ＣＡＤ软件,基于复杂目标的设计图、剖面线图等描述方式,生成提供给ＦＤＴＤ计算程序使用的目标的几何－电磁参量描述文件。本文借助该方法计算了一种飞机在谐振区的ＲＣＳ。     

用CAD技术实现复杂目标FDTD方法几何-电磁建模

ＦＤＴＤ方法是近年来得到广泛研究和应用的数值方法,具有许多无可比拟的优越性。ＣＡＤ技术的介入使ＦＤＴＤ方法向实用化方向迈出了一大步。本文介绍如何使用ＣＡＤ软件,基于复杂目标的设计图、剖面线图等描述方式,生成提供给ＦＤＴＤ计算程序使用的目标的几何－电磁参量描述文件。本文借助该方法计算了一种飞机在谐振区的ＲＣＳ。     

复杂目标RCS计算的建模方法

介绍了复杂目标RCS计算中建模的3种方法，阐述了他们各自的优点和不足，并指出了参数曲面法将是未来复杂目标RCS计算中建模的首要方法。     

地面复杂目标宽带电磁散射特性分析

提出运用FDTD计算地面复杂目标宽带电磁散射特性的方法.首先分析地面的散射,并建立复杂目标的FDTD模型,再将地面的散射场与入射场视为两个激励场作用于目标,从而得到地面背景下目标的散射场.运用此方法计算了地面卡车的电磁散射特性,并与实测结果作了对比,两者比较吻合.     

复杂载体短波天线特性的FDTD模拟与分析

分析复杂载体(卫星、舰船)上短波波段单极天线和矩形环天线特性.由于天线工作在短波波段(3～30MHz),通常载体尺寸与波长可比拟,因此天线与载体之间的电磁作用比较复杂,天线特性会受到很大影响.用时域有限差分(FDTD)方法模拟单极天线和环天线的算法,然后对一种简化卫星和舰船模型上单极天线和环天线特性是如何受天线位置、天线半径以及载体结构的影响进行模拟与分析.计算结果对实际工程应用有重要参考价值.     

基于FDTD的运动导体目标电磁散射仿真

提出了一种基于散射模型的等价相对边界条件。将该等价相对边界条件与传统FDTD方法相结合提出了求解运动导体目标电磁散射问题的方法。并将该方法用于计算运动的无限大导体表面的电磁散射问题，计算结果与文献所给方法的计算结果吻合很好，验证了该方法求解运动导体目标电磁散射问题的正确性和有效性。用该方法计算了运动三维导体目标的雷达散射截面。     

基于OpenGL和FDTD的电磁建模三维可视化实现

开放的图形程序接口(OpenGL)是一个国际组织提供的规范,可以跨平台使用,是一个功能强大,调用方便的底层3D图形库;时域有限差分(FDTD)算法是解决电磁场问题的简单而又有效的数值方法。把两者结合并利用计算机可视化技术,对目标系统进行电磁建模研究,实现了电磁建模模块的三维可视化设计。该建模模块可用于进行目标物体的三维可视化建模和电磁学参数描述及仿真数据预处理。微带耦合器的建模实例表明该电磁建模模块数据处理具有高效性、可靠性和良好的三维可视化效果。     

FDTD模拟软件电磁建模模块的研究和实现

FDTD算法(时域有限差分法)是解决电磁场问题的简单而有效的数值方法,在现有的计算条件下进行非均匀网格和均匀网格的生成以对目标物体建模是该算法的基本问题。本文介绍在直角坐标系下一种非均匀网格划分算法,并结合计算机可视化技术,实现电磁建模可视化模块的设计。该建模模块用于进行目标物体的3D可视化建模和电磁学参数描述及仿真数据预处理。文中的例子说明该电磁学建模模块数据处理有高效性、可靠性及良好的可视化效果。     

并行FDTD方法在海面及其上方漂浮目标复合电磁散射中的应用

利用基于图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)的并行时域有限差分(Finite Difference Time Domain, FDTD)法计算一维粗糙海面及其上方二维漂浮目标的复合电磁散射.采用各向异性完全匹配层(Uniaxial Perfectly Matched Layer, UPML)吸收边界作为截断边界, 为了便于并行程序的设计, 在整个计算区域使用UPML吸收边界差分公式进行迭代.利用异步通信技术来隐藏主机和设备之间的通信时间, 同时使用片上的共享存储器提高读取速度, 进一步对程序进行优化, 得到很好的加速比, 证明了该方法的计算高效性.通过与串行FDTD法以及串行矩量法获得的数值结果进行比较, 验证了该并行方法的正确性, 进而研究了海面上方类似舰船漂浮目标的电磁散射特性, 讨论了入射角、海面风速以及目标吃水深度对双站散射系数的影响.     

复杂目标电磁散射特性分析中的几何建模

利用积分方程方法进行复杂导体目标电磁散射特性分析必须综合考虑电磁问题的几何外形的共同建模，几何建模是电磁建模的基础，直接关系到电磁计算的精度与复杂度。建立复杂目标的几何外形需按照一定的原则对目标进行网络划分。本文针对复杂导体目标提出了几何建模和网格划分的原则，利用ANSYS的APDL语言建立了复杂目标的几何模型，以roof-top基函数和曲面RWG基函数为例，给出了符合电磁计算要求的几何数据。     

地下目标散射的FDTD计算

该文给出了一种利用时域有限差分法(FDTD),结合各向异性完全匹配层(UPML)以及互易原理,计算地下目标雷达散射截面的计算方法。通过数值实验,对这种计算方法的数值性能作了仔细研究。给出了一批新的不同电尺寸、不同形状、不同介电常数地下目标的雷达散射截面计算结果。     

传输线端接复杂电路的电磁耦合时域分析方法

该文基于时域有限差分(FDTD)方法和传输线方程,结合Ngspice软件,提出一种高效的时域混合算法,能够快速模拟空间电磁场作用传输线端接复杂电路的电磁耦合问题。该算法的优势在于实现了空间电磁场辐射与端接复杂电路瞬态响应的协同计算,且避免了对传输线和复杂电路结构的直接建模。首先,将复杂电路通过传输线的特性阻抗进行等效,采用FDTD方法结合传输线方程,求解得到特性阻抗上的入射电流响应。然后,在每个时间步上,将该电流引入复杂电路作为激励源,联合电路模型建立网表文件。最后,使用Ngspice软件读取网表文件,并仿真得到电路各元件上的瞬态响应。通过相应计算实例的数值模拟,与电磁场仿真软件CST的计算结果以及耗用内存和时间进行对比,验证了算法的正确性和高效性。

     

基于FDTD的雷电脉冲对飞机介质舱体内干扰作用的研究

该文提出一种利用时域有限差分计算雷电磁脉冲对飞机碳纤维介质舱体内的干扰作用的分析方法。将雷电通道等效为垂直于无限大导体地面的线天线,利用天线场区划分的概念将雷电电磁场划分为近区场和远区场。在远场情况下,通过在舱体侧设置平面波源来分析雷电脉冲对舱内的干扰;在近场情况下,通过在舱体一侧设置延伸至完全匹配层(PML),并与PML外金属边界相接的线电流来模拟一段雷电通道,有效避免了传统设置线电流时的静电积累效应,并分析近距离雷电对舱体的干扰。计算结果与解析结果吻合较好。分析解决了雷电脉冲的近场和远场情况下飞机碳纤维舱体内的电场分布及变化情况,为飞机介质舱体的电磁加固提供依据。     

三维FDTD中TF/SF边界的时域群速补偿法

TF／SF（Total Field／Scattered Field）法是FDTD（Finite-Difference Time—Domain）数值算法中引入平面波源的有效方法之一。本文对TF／SF法中的一维辅助渡源法进行改进，首先推导出三维FDTD网格内的电磁波传播群速和相速的近似解析解。为预测离散网格内电磁波传播提供理论基础；然后以此为依据，提出对一维辅助波源的时域群速补偿法。经过实际三维FDTD问题的数值模拟，证实了本文方法在保持一维辅助波源法高效简洁的同时，进一步减少了泄露误差，给FDTD计算散射问题提供了有力工具。     

一种基于FDTD算法的局域导波端口激励

为弥补传统导波端口在处理辐射问题的缺陷,解决导波端口后向泄漏和远场外推面截断而导致的辐射失真等问题。该文深入研究时域有限差分算法中导波端口激励的加载方式,首次提出了一种通用有效的局域导波端口,并对端口中各边界条件的参数配置和实现方法进行了深入论述。此外,利用该算法对不连续性波导、微带贴片天线和波导缝隙天线阵等实际问题进行了模拟仿真,结果表明,在处理波导不连续性问题时,该方法保持很高的计算精度;在处理导波端口的辐射问题时,传统方法存在较大误差,新方法则能取得很好的计算结果。因此该方法不仅适用于模拟导波端口激励的辐射问题,也适用于分析各类波导不连续性问题,具有普适性。     

Time domain analysis of transient propagation in inhomogeneous magnetized plasma using Z-transforms

The electromagnetic propagation through an inhomogeneous magnetized plasma slab is studied using the Z-transform formulation of the Finite-Difference Time-Domain（FDTD） method. The direction of electromagnetic propagation is parallel to the biasing magnetic filed. To validate the Z-transform algorithm, the reflection and transmission coefficients for the right-hand circularly polarized wave of the homogeneous magnetized plasma slab are computed by means of discrete Fourier transform. The comparison between the reflection and transmission coefficients of the homogeneous plasma slab and analytical values indicates that Z-transform algorithm is very accurate. When the plasma frequency varies according to the square root and parabolic relations, the reflection and transmission coefficients of the inhomogeneous magnetized plasma slab are computed.     

T型微带线间串扰问题的FDTD分析与抑制

T型微带线的串扰是高速电路信号完整性问题中的重要组成部分。采用PML(Perfectly Matched Layer)-FDTD方法首次对T型微带线间的串扰问题进行全波分析,并给出抑制串扰的具体措施。PML-FDTD仿真结果表明,不同的改进结构参数对串扰的影响不同：(1)开口距离S越大线间串扰越小,最多减小10dB;(2)开口角度 越小线间串扰越小,减小幅度最多达14dB。由此得出,在T型微带线上开三角形口,通过改变开口距离S和开口角度 可实现对邻近微带线串扰的有效抑制。     

组合式非周期缺陷接地结构中FDTD应用研究

组合式非周期缺陷接地结构(CNPDGS)是从光子带隙结构发展而来的,它是在微波电路的金属接地平面上人为地蚀刻出非周期性的“缺陷”,改变接地电流的分布,从而改变传输线的频率特性。与光子带隙结构(PBG)一样,具有明显的禁带特性。文中利用时域有限差分法(FDTD)研究了由CNPDGS结构构成低通滤波器的频率特性,并在此基础上研制了带宽可调节的低通滤波器,测量结果与数值分析一致性很好,进一步验证了FDTD分析的正确性,CNPDGS低通滤波器的研制,为该类型滤波器的设计提供了依据。最后讨论了FDTD方法中完全匹配层(PML)对电路特性分析的影响,给出了电路特性随PML层数变化的曲线。这对FDTD法分析缺陷接地结构时PML的选取具有一定的参考价值。     

各向异性介质在三维ADI-FDTD中的应用

该文研究一种减小三维交替方向隐式时域有限差分法(ADI-FDTD)数值色散的新方法。通过在三维空间中合理添加各向异性介质,达到调整相速的目的,从而减小数值色散,使计算结果更加精确。首先对添加各向异性介质后的三维ADI-FDTD迭代公式进行变形,并得到新的数值色散关系,从而求解得到各向异性介质的相对介电常数。以空心波导和具有介质不连续性的波导作为数值算例,分析不同的各向异性介质和添加方法对计算精度的影响,并与传统ADI-FDTD得到的结果和计算资源占用情况进行比较。结果表明通过正确选择各向异性介质和添加方法,可以有效地减小三维ADI-FDTD数值色散。     

基于Daubechies尺度函数的共形MRTD方法研究及其电磁散射应用

为了降低Yee氏蛙跳式网格划分的台阶误差,该文对3维曲面导体目标进行精确电磁建模,将时域多分辨(MRTD)算法与共形时域有限差分(CFDTD)算法结合,提出一种新的基于Daubechies尺度函数的共形时域多分辨(CMRTD)方法。该文提出将基于Daubechies尺度函数的MRTD迭代公式分解为若干传统FDTD迭代公式的线性组合,然后对最里面回路上的FDTD分解式运用局部共形技术,再将各个分解式进行线性组合,从而得到CMRTD结果。仿真结果表明,CMRTD方法既保持了MRTD方法节省计算资源、计算效率高等优点,同时明显提高了计算的精度。