[发明专利]基于三角矢量基函数矩量法的载体天线结构网格划分方法

说明书

技术领域

本发明属于载体天线技术领域，涉及电磁场数值分析所用的网格划分方法，具体地说是一种用三角矢量基函数矩量法对载体天线结构分析的网格划分方法，它与矩量法配合可用于车载、机载、舰载、船载、星载通信系统的天线隔离度、天线上线电流、载体表面的面电流、空间场强以及方向图计算等，以指导和评估电磁兼容设计。

背景技术

车载、机载、舰载、船载和星载通信系统均可归结为载体天线结构。载体以运载工具不同可分为陆基的车体、空基的机体、海基的舰(船)体、天基的星体，载体为电磁学上的金属导体，其上安装的天线有短波天线、超短波天线、超高频天线、全球通天线、卫星天线、微波天线、集群车载天线、无线接入天线等。载体天线通信系统在抗震救灾、抗洪抢险、突发事件应急以及军事指挥和作战方面有着广泛的应用，已成为重要的民用和军用装备。

载体天线通信系统的载体上安装有少则几部天线，多则十几部天线，这些天线分布在较狭小的空间，天线之间往往存在严重的邻道干扰、谐波干扰、互调干扰等，载体结构和天线位置也严重影响天线间的隔离度及天线的方向图，这些电磁兼容方面的问题轻者会影响系统的性能，重者会导致通信的中断。采用电磁兼容仿真设计和预测分析软件是解决这些问题的有效途径，并能缩短产品研发周期、降低产品成本、优化产品设计。电磁兼容仿真设计和预测分析软件的核心是电磁数值计算以及为数值计算提供离散数据的网格划分。现阶段主要的电磁数值计算方法为有限元法、时域有限差分法、矩量法等。有限元法和时域有限差分法是体求解方法，而对于载体天线结构，由于高频电流的趋肤效应，感应电流分布在载体金属的表层，采用基于表面电流技术的矩量法进行求解，其适应性要好于有限元法和时域有限差分法，而且矩量法的计算结果精度比较高、可求解复杂形状目标的电磁计算，并可与快速多极子方法、快速傅里叶变换、波形渐进预估技术、时域方法、有限元方法等相结合，以解决高频计算、电大尺寸目标计算、宽频带计算、非均匀介质计算等，因而它获得了越来越广泛的应用，成为计算电磁学中最为重要的方法。

对于载体天线结构中的鞭天线而言，由于其天线较细，可认为电流只沿轴线分布；载体可用封闭的金属导体面近似。在求解这类问题时，需要在导线上建立电场积分方程，在载体面上建立磁场积分方程，且在天线与载体面相连接的区域，其积分域包括直线段和导体面，也要通过建立电场和磁场混合积分方程来求解。求解这些积分方程可得到天线上的线电流和载体面的面电流，进而可计算出天线的隔离度以及电场分布。目前求解这些积分方程的数值方法主要是矩量法。矩量法求解的前提是载体面的网格划分和天线的网格划分，天线的网格划分很容易实现，而载体面的网格划分是比较难的。

已有的网格划分有多种形式，例如矩量法和有限元法，矩量法因其采用的基函数和权函数不同，又有多种形式，如脉冲基函数、三角矢量基函数矩量法等。脉冲基函数矩量法网格划分的单元形状是三角形、四边形，不必要求单元顶点对顶点。三角矢量基函数矩量法网格划分的单元形状必须是三角形且单元必须顶点对顶点。有限元网格划分的单元形状有多种，如三角形、四边形、四面体、六面体等，要求单元必须顶点对顶点。

有限元网格划分比较成熟，网格划分算法较多，如映射法、结点连元法、铺路法、四叉树法、Delaunay三角化法、前沿推进法，又称为波前法等。其中，前沿推进法是生成三角化网格最为成功的一种方法。论文“复杂区域自适应三角形网格全自动生成方法”(岩土力学，第15卷第2期，1994年6月，43-54，作者：邓建辉，熊文林)采用前沿推进法按对前沿边张角最大生成三角形网格；论文“任意平面域渐变三角形网格的自动划分”(计算机辅助设计与图形学学报，第11卷第4期，1999年7月，293-295，作者：刘春太等)引入含有距离权值的结点间距函数产生了尺寸渐变的三角形网格。这些用于有限元网格划分的前沿推进法关注的是三角形单元的质量，没有涉及三角形单元尺寸的准确控制。用前沿推进法直接生成的网格中含有质量较差的三角形，网格调匀是必不可少的一步。网格调匀的基本方法是Laplacian方法，这是一种坐标平均法，方法简单，但一般需要3次以上的调匀才能得到较为均匀的网格。