[发明专利]面向时域有限差分电磁计算的载体网格划分方法

说明书

技术领域

本发明属于电磁兼容技术领域，涉及电磁场数值分析所用的网格划分方法，具体地说是面向时域有限差分电磁计算的载体网格划分方法，可用于时域有限差分法计算电磁场问题的研究。

背景技术

随着现代科学技术的快速发展，机动式通信系统的载体如车辆、飞机、舰船上装载了各种功能不同的电子设备及各种接收和发射信号的天线，由于各类无线电子设备和通信设备的密度的增加，导致通信之间的电磁信号更加密集，频谱重叠率逐渐增大，使得电磁环境日益恶化。无线设备之间的相互干扰以及无线电频率之间的相互影响这样的问题就必须得到重视。在这种电磁环境存在的情况下，为了确保通信设备能够正常发挥自己的功能，那么通信系统的电磁兼容问题就不能忽视。

机动式通信系统归结为载体多天线系统，研究这类系统的电磁兼容性具有很大的工程意义和实用价值。电磁兼容性预测技术能够有效地完成系统或设备的电磁兼容设计并且达到一个很好的效果。电磁兼容性预测技术是通过理论方法分析和评估系统或设备的电磁兼容的程度。这项技术通常应用在系统或设备研制的方案设计阶段和工程研制阶段。电磁兼容的主要目的是分析不兼容的相对比较薄弱的环节、评价系统的兼容安全裕度、为防护设计以及方案的修改提供依据。当系统或设备的功能设计方案初次形成以后，就可根据电磁兼容性的相关要求以及指标，对目标设计方案进行电磁兼容性预测分析、干扰程度计算、电磁耦合仿真计算以及对可能存在的干扰源以及敏感设备的电磁敏感度进行分析。电磁兼容性预测分析的应用是伴随着电磁兼容性设计开展的，贯穿于系统研制的整个过程，它具有计算速度快、成本低、参数修改方便、可以多次反复的计算、预测成功率较高等优点。

电磁兼容性预测技术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。电磁数值计算的任务是基于Maxwell方程组，建立逼近实际问题的连续型数学模型，然后采用相应的数值计算方法，经离散化处理，将连续型数学模型转化为等价的离散型数学模型，由离散数值构成代数方程组，应用有效的代数方程组解法，求解出该数学模型的数值解。现阶段主要的电磁数值计算方法为有限元法（FEM）、时域有限差分法（FDTD）、矩量法（MOM）等。对于这三种数值方法来说，具体实施时矩量法最难以实现，因为矩量法的积分方程比较复杂且基函数的选取也需一定的技巧。而有限元法在具体实施时需要注意稀疏矩阵的存储方式以及基函数的选择。与这两种方法比较，时域有限差分法的实施最简单。时域有限差分法直接将Maxwell方程在时间和空间上采用中心差分方式将其离散，形成一组在空间上采样、时间上递推的离散方程组。在时间轴上逐步推进的求解，有很好的稳定性和收敛性，在空间上它以Yee元胞为空间电磁场离散单元，将Maxwell方程转化为差分方程，是对Maxwell方程在离散空间的直接描述，结合计算机计数能够处理十分复杂的电磁问题。由于其离散方程递推格式上的特点，使其很容易实现高性能的并行运算。而且从应用方面来说，经过多年的发展，时域有限差分法已比较成熟，在很多方面已得到应用，其在天线辐射特性计算、微波电路分析、散射体雷达散射截面等方面有广泛的应用。与有限元法、矩量法相比，时域有限差分法很适合求解电磁的时域瞬态响应和宽频带响应问题。