（無線電物理專業(yè)論文）基于時(shí)域有限差分（fdtd）法的通用電磁仿真軟件設(shè)計(jì).pdf

摘要 隨著電磁理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)性能的不斷提高 計(jì)算電磁學(xué)在最近 幾年得到了長足的發(fā)展 其中 時(shí)域有限差分 f d t d 法由于其獨(dú)特的 性能和優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用和重視 而基于時(shí)域有限差分法的 電磁仿真軟件也得到了相應(yīng)的發(fā)展 論文第一章首先概述了國內(nèi)外目前基于時(shí)域有限差分法相關(guān)軟件 的發(fā)展?fàn)顩r 對各軟件的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)做了比較和分析 然后對本 課題組開發(fā)的仿真軟件 g e m s 的前期版本進(jìn)行了簡單介紹 并指出 其不足之處 說明該課題工作的意義和特點(diǎn) 第二章簡單介紹了軟件所 基于的時(shí)域有限差分 f d t d 算法基本原理 并對軟件中所用到的一些相 關(guān)技術(shù) 如介質(zhì)曲面處理 金屬曲面處理 非均勻網(wǎng)格的劃分及對有耗 媒質(zhì)的模擬給出了詳細(xì)的說明 第三章主要從軟件的外圍界面及內(nèi)核計(jì) 算模塊來分別介紹軟件設(shè)計(jì)時(shí)所遵循的基本原則和對問題的處理流程 對軟件一些基本功能給出了介紹 使用戶更深入地了解軟件 在第四章 通過對一環(huán)形微帶諧振器的仿真 向用戶演示了該軟件的具體使用流程 眾所周知 軟件測試是軟件工程必不可少的重要環(huán)節(jié) 因此在論文的第 五章選擇了幾個(gè)具有代表性的實(shí)例對軟件進(jìn)行了測試 并對結(jié)果進(jìn)行了 分析和評價(jià) 指出了軟件的某些不足之處 最后結(jié)論包括了本文的工作 總結(jié)以及對后期工作的思考 關(guān)鍵詞 時(shí)域有限差分法 f d t d 電磁場仿真 軟件 設(shè)計(jì) a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i v eg r o w t ho fh i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t e r s ag r e a t p r o g r e s s o fc o m p u t a t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i c s h a sb e e nr e c e n t l ya c h i e v e d a m o n g a l lt h e m e t h o d s t h e f i n i t e d i f f e r e n c e t i m e d o m a i n f d t d m e t h o da t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s eo fi t sf e a t u r e s a n ds o m e f d t d b a s e ds i m u l a t i o ns o f t w a r eh a v ea l s ob e e nd e v e l o p e d i nt h i st h e s i s f i r s t l y w em a k eac o n c i s ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h e p o p u l a rf d t ds o f t w a r e i n t r o d u c et h ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e g e m s d e v e l o p e db yo u rg r o u p a n dp r e s e n tt h es h o r t a g eo f t h i ss o f t w a r e t os h o wt h em i s s i o no ft h i st h e s i s c h a p t e r2p r e s e n t st h ep r i n c i p l eo ft h e a l g o r i t h m i n c l u d i n g i t sf o u r k e yt e c h n i q u e s c u r v e d m e t a l l i cs u r f a c e s c u r v e dd i e l e c t r i c s u r f a c e s n o n u n i f o r mm e s h a n dt r e a t m e n t f o r l o s s y d i e l e c t r i c i no r d e rt om a k eu s e r sk n o wm o r ea b o u tt h ew h o l ep r o c e s sa n d t h el o g i co ft h es o f t w a r e t h ed e s i g no ft h ew h o l es o f t w a r ef r o mg r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c et oc o m p u t a t i o n a lm o d u l ea r ed e s c r i b e di nc h a p t e r3 i nt h e f o l l o w i n gc h a p t e r t h r o u g h a n e x a m p l e o fc i r c u l a r m i c r o s t r i p r e s o n a t o r w es h o wu s e rh o wt o a p p l yt h es o f t w a r e t os i m u l a t ea ne l e c t r o m a g n e t i c s t r u c t u r e t h e ni nc h a p t e r5s o m ee x a m p l e sa r ep r e s e n t e dt oi l l u s t r a t et h e a p p l i c a t i o no f t h i ss o f t w a r e a n ds o m ea d v i c ef o ri m p r o v i n gt h i ss o f t w a r ei n t h ef u t u r ei sg i v e nt h r o u g ha n a l y z i n gt h er e s u l t s f i n a l l y t h ew h o l ew o r ko f t h i st h e s i si sc o n e l u d e d k e y w o r d s f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i n m e t h o d e l e c t r o m a g n e t i c s i m u l a t i o n s o f t w a r e d e s i g n l i 附件三 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果 據(jù)我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意 簽名 臼莖宣塹日期 z 年廠月z 1 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文 的規(guī)定 有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或 掃描等復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 簽名 圈數(shù)墼導(dǎo)師簽名 二三翌 主 日期 2 鄉(xiāng)年f 月文 e l 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章引言 與高性能計(jì)算技術(shù)發(fā)展同步 在電磁場與微波技術(shù)學(xué)科 以電磁場理論為 基礎(chǔ) 以高性能計(jì)算技術(shù)為工具和手段 運(yùn)用計(jì)算數(shù)學(xué)提供的各種方法 誕生 了一門解決復(fù)雜電磁場理論和工程問題的應(yīng)用科學(xué)一 一計(jì)算電磁學(xué) 它是 一門新興的邊緣科學(xué) 當(dāng)前計(jì)算電磁學(xué)中使用較多的方法主要有兩大類 一類是以電磁場問題 的積分方程為基礎(chǔ)的數(shù)值方法 如矩量法系列 另一類是以電磁場問題的微分 方程為基礎(chǔ)的數(shù)值方法 如有限差分法系列 基于變分原理的有限元法可以歸 為微分方程法 在電磁場數(shù)值分析的計(jì)算方法中 有限差分法是應(yīng)用最早的一種方法 有 限差分法簡稱差分法 它不同于以往的任何一種方法 它以差分原理為基礎(chǔ) 直接從概括電磁場普遍規(guī)律的麥克斯韋旋度方程出發(fā) 將其轉(zhuǎn)換為差分方程 組 在一定體積內(nèi)和一段時(shí)間上對連續(xù)電磁場的數(shù)據(jù)取樣 因此 它是對電磁 場問題的最原始 最本質(zhì) 最完備的數(shù)值模擬 具有最廣泛的實(shí)用性 以它為 基礎(chǔ)制作的計(jì)算程序 對廣泛的電磁場問題具有通用性 由它所得的結(jié)果應(yīng)該 是 完備 的矢量場 由此所算出的三維電磁場也應(yīng)該是 精確 的 特別地 作為一種電磁場數(shù)值計(jì)算方法 時(shí)域有限差分法 f i n it e d i f f e r e n c et i m e o o m a i nm e t h o d 有一些非常突出的優(yōu)點(diǎn) 直接時(shí)域 計(jì)算 節(jié)約存儲空間和計(jì)算時(shí)間 適合并行計(jì)算 簡單等 由于時(shí)域有限差 分法的特點(diǎn) 到現(xiàn)在為止 它幾乎被用到了電磁場工程中的各個(gè)方面 而且其 應(yīng)用的范圍和成效還在迅速擴(kuò)大和提高 主要包括 1 在目標(biāo)電磁散射特 性研究中的應(yīng)用 2 在電磁兼容問題中的應(yīng)用 3 在天線輻射特性計(jì)算中的 應(yīng)用 4 在微波龜路和光路時(shí)域分析中的應(yīng)用 此外 時(shí)域有限差分法在生 物電磁計(jì)量學(xué) 無線通信信道模型研究 等方面的應(yīng)用也正在受到越來越廣 泛的重視 同時(shí) 相對于另外的算法如有限元法 f e m 矩量法 m o m f d t d 有它自身的優(yōu)越性 它簡便快捷 對含任意物質(zhì)特性的一般e m 結(jié)構(gòu) 都具有 卓越的仿真能力 對媒質(zhì)的非均勻性 各向異性 色散特性和非線性等均能很 容易地進(jìn)行精確模擬 不管是散射 輻射 傳輸中的哪一種 也不論是瞬態(tài)問 題還是穩(wěn)態(tài)問題 只要能正確地對源和結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬 時(shí)域有限差分法就能給 出正確的解答 另外 由于沒有矩陣的填寫和求解 它在計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存占用 上比其他方法效率高得多 能通過一次的系列仿真提供頻帶很寬的結(jié)果 而這 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 點(diǎn)對于頻域技術(shù)如f e m m o m 是不可能的 1 1 基于時(shí)域有限差分法的相關(guān)軟件動(dòng)態(tài) 1 1 1 目前相關(guān)軟件動(dòng)態(tài) 由前面介紹的f d t d 的特點(diǎn) 我們可以看出 用時(shí)域有限差分法做電磁場 仿真程序具有很強(qiáng)的通用性和實(shí)用性 因此隨著計(jì)算方法的成熟和計(jì)算機(jī)性 能的不斷提高 f d t d 仿真軟件得到了很大的發(fā)展 目前用時(shí)域有限差分法進(jìn) 行電磁場仿真的軟件有很多 應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域 主要分為通用軟件和專用軟件 應(yīng)用較為廣泛的通用軟件有x f d t d q f d t d 9 0 e m u f d t d f d t ds o l v e r 等 專用軟件則有e m a 系列軟件和a p s i m 系列軟件 e z f d t d l c 2 9 等 各軟件 都有自己獨(dú)特的功能 下面我們就這些軟件作簡要介紹 e m u f d t d 7 j 是由英國布魯諾大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程系開發(fā)的三維電磁場 通用軟件 其主要特點(diǎn)是采用并行f d t d 算法 簡便快捷 主要應(yīng)用于分離 或集成微波電路的設(shè)計(jì) 雷達(dá)散射截面預(yù)測 電離層和等離子體散射 集成光 學(xué)系統(tǒng) 生物體與電磁場的相互作用 電磁兼容 天線設(shè)計(jì)等等 q f d t d 9 0 8 j 是由加里弗利亞大學(xué)電子工程系開發(fā)的一種全波段電磁場仿 真器 用于一般的三維無源結(jié)構(gòu) 主要適用于微波電路和平面天線 包括 微 波電路設(shè)計(jì) 微帶低通濾波器 微帶分支線耦合器 共面帶狀線和不連續(xù)性 介質(zhì)波導(dǎo)表面波發(fā)生器 微帶饋電折合縫隙天線 共面波導(dǎo)饋電縫隙天線 單 面準(zhǔn)八木天線等 其應(yīng)用側(cè)重于平面型電路和天線 多數(shù)基于微帶線 c r w 共 面波導(dǎo) c p s 共面微帶線 槽狀線 電介質(zhì)波導(dǎo) x f d t d 一1 是由r e m c o m 公司提供的商業(yè)通用軟件 其主要適用范圍有 有耗電 磁介質(zhì) 各向異性鐵氧體 微波電路s 參數(shù) 輸入阻抗等計(jì)算 天 線散射場計(jì)算 生物體結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算 x f d t d 界面允許直接輸入二 三維 c a d 文件并加以編輯處理 另外 r e m c o m 公司還提供多處理器計(jì)算模塊 m p m 能大幅度提高計(jì)算速度 f d t d s o l v e r 是賓夕法尼亞州立大學(xué)開發(fā)的一套三維仿真軟件 適用于微 帶電路分析 天線分析 周期性結(jié)構(gòu)分析 互連結(jié)構(gòu)分析及目標(biāo)特性提取 有 v i s u a lb a s i c 開發(fā)的圖形化輸入界面 美中不足的是輸入?yún)?shù)界面略顯粗糙且 輸出參數(shù)不很全面 只有場 電流 電壓 及遠(yuǎn)場方向圖 并且此軟件目前仍 處于測試階段 還不很成熟 z e l a n d l lo j 軟件公司開發(fā)的軟件中 f i d e l i t y 是基于f d t d 的全波三維 仿真軟件 主要應(yīng)用于微波電路和射頻天線的仿真 如完整的s a r 計(jì)算 細(xì) 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 線模型 傳輸損耗等 它接受平面或三維金屬 電介質(zhì)結(jié)構(gòu)的輸入 允許用戶 自定義端口 能仿真各種非各向同性物質(zhì) 且對仿真物質(zhì)的數(shù)量沒有限制 對 結(jié)構(gòu)自動(dòng)剖分非均勻網(wǎng)格 并可對局域進(jìn)行二次網(wǎng)格剖分 這就極大地增強(qiáng)了 其仿真能力 e m a f j 有限公司開發(fā)出一系列采用f d t d 算法的仿真軟件 其中e m a 3 d 用于解直角坐標(biāo)下的三維麥?zhǔn)戏匠?主要應(yīng)用于多結(jié)點(diǎn)的細(xì)電線 窄間隙 頻 率選擇表面和有耗表面的傳輸阻抗 平面波源 有耗電介質(zhì)等 它有嵌套的細(xì) 網(wǎng)格 還考慮時(shí)變空氣導(dǎo)電率 另外 利用功能強(qiáng)大的c a d f i x 圖形界面對數(shù) 據(jù)及結(jié)果作前 后期處理 e m a 3 dc y l 用于解圓柱坐標(biāo)下的三維麥?zhǔn)戏匠?對金屬物體 有耗電介質(zhì) 細(xì)導(dǎo)線 組合板自動(dòng)生成差分網(wǎng)格 m h a r n e s s 用 于解多導(dǎo)體t e m 傳輸方程 主要適用于多導(dǎo)體 多層支線 多匹配層導(dǎo)線模 型等 它允許用戶將結(jié)構(gòu)分塊定義 并提供與s p i c e 相連接的界面以便對導(dǎo) 體進(jìn)行更為復(fù)雜的限定 由艾姆克科技有限公司開發(fā)了一系列a p s i m 軟件1 1 2 1 主要用于解決p c b 設(shè)計(jì)中的電磁兼容性 e m c 問題 信號完整性 s i g n a li n t e g r i t y i 闖題 a p s i m f d t d 是一個(gè)采用時(shí)域有限差分的三維全波段電磁仿真器 在e m i 及高頻應(yīng) 用中非常理想 有許多問題特別適合于用a p s i m f d t d 處理 一條具有自耦的 時(shí)鐘分布的走線 在p c b 板上含有3 維結(jié)構(gòu) 如i c 的引線與一條線 過孔或 是地平面間的相互作用 在高頻時(shí) 3 維結(jié)構(gòu)中如過孔 導(dǎo)線 i c 的封裝中的 返回電流 a p s i mf d t d 能象對導(dǎo)磁率一樣對絕緣率的變化進(jìn)行仿真 這樣就 能對磁性材料和絕緣材料進(jìn)行準(zhǔn)確地仿真 三維全波非線性s i 和e m i 仿真軟 件由f d t d p g e d i t o r f d t d s p i c e f d t d s p a r 等工具組成 適合于工作 頻率在1 g h z 以上的線性和非線性系統(tǒng)的信號完整性 電源完整性以及電磁兼 容性的分析和仿真 能非常精確地給出三維的電磁場空間分布圖 信號線的波 形圖 電源信號的波形圖等 e m sp l u s 公司提供基于f d t d 算法的全波段仿真軟件e z f d t d l 主 要應(yīng)用于屏蔽分析 填充性能分析 空腔 屏蔽腔諧振 散射層分析 接地分 析 平板輻射 鐵氧體濾波器分析 天線應(yīng)用 測試點(diǎn)分析 o a t s g t e m 無回聲腔等 d s l 3 d 1 4 1 是一種用于三維電磁場領(lǐng)域的程序 在對域解麥?zhǔn)戏匠?網(wǎng)格沒 有規(guī)則的結(jié)構(gòu) 而是由四面體 六面體 三棱柱 棱錐所組成 模型的靈活性 允許我們有效地解決很多三維問題 包括十分復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu) 它將離散表面 積分化為f d t d 方法 采用共形網(wǎng)格仿真場的演變 能實(shí)現(xiàn)對特殊邊界的良 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 良好模擬 被廣泛應(yīng)用于不同仿真領(lǐng)域 如 計(jì)算機(jī)互連 加速元件 復(fù)雜的 波導(dǎo)結(jié)構(gòu) l c 2 9 i l5 j 是由美國c r a yr e s e a r c h n o r t h w e s t e r n u n i v e r s i t y o f c o l o r a d o l o sa l a m o sn a t i o n a ll a b o r a t o r y s g i 共同開發(fā)的軟件 它是分 析設(shè)計(jì)高速互連系統(tǒng)電磁特性和電磁兼容的工具 由c 和f o r t r a n 語句 組成 在o s f m o t i f 的u x i x 平臺機(jī)上運(yùn)行 主要功能有 含分析工具將模 擬結(jié)果處理成常用工具量 如阻抗 電容 電感 s 參數(shù)等 可畫出輻射功率 幅度 相位 實(shí)虛部 設(shè)置各種類型的探測器 點(diǎn) 線 平面 表面探針 可從不同視角觀察電磁場數(shù)據(jù)或進(jìn)行過渡模式響應(yīng)分析 a p l a c 7 5 0 1 由芬蘭赫爾辛基技術(shù)大學(xué)電路理論實(shí)驗(yàn)室 諾基亞移動(dòng)電 話公司聯(lián)合開發(fā) 它是一個(gè)面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)仿真和設(shè)計(jì)軟件 可進(jìn)行從d c 到 微波波段的系統(tǒng)建模 包括模擬數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì) 求解三維電磁場問 題的f d t d 模擬器 可以將這些系統(tǒng)級模塊進(jìn)行組合 也可以只設(shè)計(jì)系統(tǒng)的 某些部分 a p l a c 由編輯器和模擬器組成 其主要輸出參數(shù)有電磁場值 輻 射方向圖和功率 s 參數(shù) s a r 結(jié)果等 在結(jié)構(gòu)方面 除了常見的s p i c e 電子 學(xué)元件模型以外 還包含大量已經(jīng)定義的微波元件模型 微帶 帶狀線 具襯 底的微帶 系統(tǒng)模型還包括r f 設(shè)計(jì)中的鎖相環(huán) 離散時(shí)間模型等 q u i c k w a v e3 d i l 5 由波蘭華沙大學(xué)在歐盟支持下開發(fā) 其特點(diǎn)是 可在多 種平臺上工作 面向?qū)ο蟮腸 編程 可將線路劃分為子線路進(jìn)行并行計(jì)算 含加速處理模塊 擅長處理不均勻 非線性 有耗 各向異性材料和不規(guī)則形 狀物體 可應(yīng)用于耦合器 濾波器和匹配線路的s 參數(shù) 天線的輻射特性 諧振器的特征頻率和特征模等 從技術(shù)層面上看 各軟件在內(nèi)部技術(shù)和外部結(jié)構(gòu)上都有各自的處理方法 由此也可以看出它們的優(yōu)點(diǎn)和局限性 下面列表舉出各自的特點(diǎn) 見表1 1 和 表1 2 根據(jù)各軟件的功能和適用范圍 我們可以大致將它們分為以下幾個(gè)級別 基本級 均勻劃分網(wǎng)格 能實(shí)現(xiàn)一般的三維電磁場仿真 輸出指定點(diǎn)的時(shí) 頻域電磁場分布 如e m u f d t d e z f d t d 中級 采用多種激勵(lì)源 局域細(xì)網(wǎng)格 能實(shí)現(xiàn)一般的三維電磁場仿真 輸 出指定點(diǎn)的時(shí) 頻域電磁場分布 s 參數(shù) 遠(yuǎn)場方向圖 對結(jié)果進(jìn)行可視化處 理 如f d t d s o l v e r m h a r n e s se m a 3 d a p s i mf d t d 高級 采用多種激勵(lì)源 局域細(xì)網(wǎng)格或三角形網(wǎng)格 能實(shí)現(xiàn)一般的三維 電磁場仿真 輸出指定點(diǎn)的時(shí) 頻域電磁場分布 s 參數(shù) 遠(yuǎn)場方向圖 生成 一d 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 可執(zhí)行文件 用方便直觀的界面對多數(shù)結(jié)果進(jìn)行圖形可視化處理 如x f d t d q f d t d 9 0 表l 一1 目前流行的時(shí)域有限差分法仿真軟件內(nèi)部技術(shù)比較 軟件名稱激勵(lì)源網(wǎng)格剖分邊界條件 時(shí)間特性源的類型 e m u f d t d正弦源均勻矩形網(wǎng)格m u r 吸收邊界 高斯源 p e c q f d t d 9 0 正弦源矩形網(wǎng)格m u r 吸收邊界 高斯源三角形網(wǎng)格p e cp m c x f d t d平面波局域細(xì)網(wǎng)格l i a o 吸收邊界 集總電流源p m l 吸收邊界 集總電壓源p e cp m c e m a 3 d高斯源電壓 電流瀝局域細(xì)網(wǎng)格p m lm u r 拇 方超圾收邊界 正弦源電流密度磁流p e c 開放問題的靜磁e m a 密度電場 磁場 源平面波 e m a 3 dc y l平面波電流源 a p s i mf d t d 平面波點(diǎn)電流非均勻網(wǎng)格p m l 吸收邊界 源電壓源 p e cp m c f d t d s o l v e r高斯源非均勻網(wǎng)格p m lm u rp e cp m c l c 2 9正弦 電流源矩形網(wǎng)格p m l 吸收邊界 斜坡脈沖電壓潦m u r 一 二階 高斯p m c 球面初始 p e c 波 f i d e l n l y正弦電流源非均勻嚼格p m l 吸收邊界 高斯電壓源 平面渡 注 空白處表示該項(xiàng)在資料中未指明 下同 5 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 表1 2目前流行的時(shí)域有限差分法仿真軟件外部特征比較 軟件名稱工作平臺界面主要輸出參數(shù)后處理方式 e m u f d t du n i xx m o t i f 宙口 場分布有圖形 無動(dòng)畫 圖形化用戶界面 q f d t d 9 0 支持f o r t r a n9 0 的無場分布數(shù)據(jù)文件可視化 平臺 s 參數(shù) 遠(yuǎn)場方向圖 x f d t d 運(yùn)行于多種操作系圖形化用戶界面場分布結(jié)果圖形可視化 統(tǒng)w i n d o w s 二 三維c a d 文件多口s 參數(shù) u n i x 遠(yuǎn)場方向圖 l i n u x 天線方向圖 s a r e m a 3 dw i n d o w sc a d f i xg u i電磁場分布圖形可動(dòng)畫 二 三維c a d 文件s 參數(shù)c a d n x 進(jìn)行后 遠(yuǎn)場方向圖 處理 e z f d t dw i n d o w s 圖形化用戶界面電磁場分布圖形可動(dòng)畫 f d t d s o l v e rw i n d o w s 基于v b 的g u i場分布 s 參數(shù)生成可執(zhí)行作圖 遠(yuǎn)場方向圖 文件 e m p i r e w i n d o w s直觀的g u i s 參數(shù) 生成數(shù)據(jù)文件 u n i xa u t o c a d 作圖場分布圖自動(dòng)生成圖形 輻射方向圖 l c 29o s f m o t i f的 圖形化用戶界面場分布 s 參數(shù)生成數(shù)據(jù)文件 u n i x 可調(diào)用s p i c e 模型阻抗 電容 電 顯示圖形或動(dòng)畫 平臺感輻射功率 輸出 a p l a c7 5 0w i n d o w s 9 5 n t類似于s p i c e 的建場分布 u n i x 模方式 可調(diào)用元 輻射方向圖 功 件模型 系統(tǒng)模型 塞 穩(wěn)態(tài)功率 s 參數(shù) s a r 6 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 12 相關(guān)軟件的不足 目前開發(fā)出的f d t d 軟件雖然有自己的優(yōu)點(diǎn) 但也存在不足之處 如 e m u f d t d 不能在個(gè)人微機(jī)上實(shí)現(xiàn) 只能輸出場值分布 只采用均勻網(wǎng)格 不 能實(shí)現(xiàn)對特殊邊界的良好模擬 q f d t d 9 0 不能脫離f o r t r a n 平臺 只采用m u r 二階吸收邊界 不適用于高色散的寬帶特性如金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 出于對計(jì)算機(jī)內(nèi) 存需求的考慮 不能實(shí)現(xiàn)對各向異性和磁性材料的仿真等等 1 2 本文工作的特點(diǎn)及意義 從前面的介紹我們可以看出 目前基于時(shí)域有限差分 f d t d 算法的軟 件已經(jīng)有很多 但功能強(qiáng)大的這些通用性程序都是商業(yè)的 而且都集中于國外 國內(nèi)盡管也在做f d t d 算法的研究 但是只限于其算法某一方面理論研究 還 沒有 套完整的用于場分析的軟件包 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)這樣的軟件不僅可以為以后 的科研工作提供方便的仿真工具 而且對于時(shí)域有限差分算法也可以有更進(jìn)一 步的研究 所以本課題具有較高的實(shí)用價(jià)值與意義 1 2 1g e m s 2 0 版本的不足 本課題的前期工作已經(jīng)由本課題組的同學(xué)完成 包括部分核心計(jì)算模塊 前期的部分輸入等 軟件內(nèi)核采用f o r t r a n9 0 編程 界面采用v i s u a l b a s i c 語言實(shí)現(xiàn) 然而對于g e m s 2 0 版本還存在許多不足之處需要改進(jìn) 包括 1 界面不夠直觀方便 對用戶來說需要輸入的參數(shù)太多 2 難于模擬非六面體結(jié)構(gòu) 只能解決 些矩形結(jié)構(gòu) 3 沒有采用非均勻網(wǎng)格 精度不是很高 4 軟件的后處理只能在m a t l a b 工作環(huán)境下得到 即軟件必須有m a t l a b 軟件來支持 使得軟件的使用有限制性 5 軟件缺乏較完整的幫助說明和用戶使用手冊 6 沒有詳盡的開發(fā)文檔 給軟件后續(xù)設(shè)計(jì)帶來困難 1 2 2g e m s 3 0 新增加的功能 本課題的最終目標(biāo)是完善2 0 版的功能 并完成升級的3 0 版本 通過努 力 現(xiàn)有的g e m s 3 0 版本在功能上得到了很大改進(jìn) 不論從外部的界面還是 內(nèi)部的核心計(jì)算模塊 我們的軟件都可以和現(xiàn)有的一些中級f d t d 軟件媲美 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 它新增加的功能包括以下幾類 1 添加了對介質(zhì)曲面的處理 包括各種形狀 如橢圓 圓等 2 添加了對金屬曲面的處理 包括各種形狀 如橢圓 圓環(huán)等 3 添加了網(wǎng)格劃分專門模塊 分為均勻 非均勻漸變網(wǎng)格兩種 4 添加了對有耗媒質(zhì)的模擬 5 添加了豐富的元件庫 其中包括同軸 帶狀線等 6 添加了非常詳盡的幫助文件和用戶使用手冊 7 添加了完整的文檔說明 如軟件的總體設(shè)計(jì) 程序流程等 8 添加了一些常用工具 如計(jì)算器 抓圖界面 9 添加了后處理模塊 使其脫離m a t l a b 軟件環(huán)境的支持 1 0 添加了仿真物體的三維可視 可實(shí)現(xiàn)任意的旋轉(zhuǎn) 放大 縮小 1 1 添加了采取v i s u a l 集成a u t o c a d 進(jìn)行結(jié)構(gòu)的輸入 1 2 重新制作了軟件的界面 使其更加的用戶可視化 該軟件目前版本具有如下特點(diǎn) 基于m s w i n d o w s 鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)的圖形界面 比較豐富的元件庫 高效 高準(zhǔn)確非均勻網(wǎng)格的f d t d 仿真引擎 能方便地對分析目標(biāo)排列定位和幾何結(jié)構(gòu)的編輯與檢查 多種二維和三維視圖 以對所分析的結(jié)構(gòu)得到最好的視覺理解 v i s u a l b a s i c 集成a u t o c a d 進(jìn)行建模 可對介質(zhì)非矩形及金屬非矩形結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真 具有自動(dòng)網(wǎng)格生成功能和對輸入的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)網(wǎng)格生成功能 不同邊界條件的實(shí)現(xiàn) 包括p m l m u r l m u r 2 對有耗媒質(zhì)的模擬 集成的預(yù)處理和后處理功能 包括s 參數(shù)提取和時(shí)域信號顯示 輻射方向圖的計(jì)算 一次仿真即可得到寬帶頻譜的功能 平面波激勵(lì)和s a r 計(jì)算功能 該軟件可用于解決一系列結(jié)構(gòu)的電磁仿真問題 微波 毫米波集成電路 各種天線結(jié)構(gòu)包括可重構(gòu)天線 多饋線天線等的輻射問題 微帶線結(jié)構(gòu) 光子 帶隙 爭p b g 結(jié)構(gòu)等的傳輸問題 散射體的單站和雙站雷達(dá)散射截面計(jì)算問題 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 主要輸出參數(shù)有 近場任意點(diǎn) 面的時(shí) 頻域電磁場分布與電流分布 天 線遠(yuǎn)場方向圖 指定工作頻段內(nèi)的自阻抗與互阻抗 微帶電路指定端口的s 參 數(shù)等 軟件運(yùn)行的環(huán)境 w i n d o w s9 5 w i n d o w s9 8 和w i n d o w sn t4 0 1 2 3g e m s 3 0 主要的用戶對象 現(xiàn)在國內(nèi)外的f d t d 程序很多 但功能強(qiáng)大的通用性程序大部分都是商業(yè) 的 公布源代碼的程序功能一般都很單一 例如 t o y f d t d 只能輸出空間場值 這樣 不僅難于對軟件進(jìn)行二次開發(fā) 同時(shí)對于深入理解f d t d 法的內(nèi)核也沒 有很大的幫助 由此我們開發(fā)了本軟件 一方面 對于初級用戶 本軟件不要求他們具有很高的電磁場理論知識 僅需要對基本的時(shí)域有限差分理論具有一定的了解 我們特把f d t d 法基礎(chǔ)知 識寫入本文 并且在軟件中我們給出了詳盡的幫助說明 所以他們可以很容 易地用之來作一些簡單的電磁仿真 解決簡單的電磁場問題 特別有助于初級 用戶形象直觀的了解時(shí)域電磁場分布 另一方面對于中高級用戶 本文在工作過程中一方面注意了實(shí)用性 同時(shí) 也隨時(shí)注意了軟件的可擴(kuò)展性 采用模塊化 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法 所以 他們也可很容易的在本軟件的基礎(chǔ)上作二次開發(fā) 開發(fā)出適于自己研究的 效 率更高的專用程序 總之 本軟件在微波 毫米波集成電路 刪i c r f 印制板電路 微帶天 線 線電線和其它形式的r f 天線 i c 的內(nèi)部連接和高速數(shù)字電路封裝 e m i 及e m c 方面具有廣泛的應(yīng)用 它適用于電磁場仿真的許多方面 無論對于科研 工程 教學(xué)都具有一定的實(shí)用價(jià)值 1 3 本文內(nèi)容結(jié)構(gòu)安排 本文主要介紹了一套基于時(shí)域有限差分法的通用電磁仿真軟件設(shè)計(jì) 對軟 件所基于的算法和相關(guān)技術(shù)及軟件的總體設(shè)計(jì)都給出了詳細(xì)的說明 并通過對 一實(shí)例的仿真演示使用戶對軟件的使用有更好的了解 最后給出了一些對軟件 進(jìn)行驗(yàn)證測試的實(shí)例 證明了軟件的正確性 第一章 簡單討論了基于時(shí)域有限差分法的各類仿真軟件的現(xiàn)狀 指出 軟件前期版本的不足 提出論文的主要工作內(nèi)容 9 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 對軟件所基于的基本算法以及一些相關(guān)的技術(shù)給出了詳細(xì)的介 紹 著重?cái)⑹隽藢Ω鞣N金屬 介質(zhì)曲面的處理方法 對非均勻 網(wǎng)格劃分方法和有耗媒質(zhì)的模擬也給出了詳細(xì)的說明 第三章 為了更好地使用軟件 了解軟件編程人員的編程思路是非常重 要的 因此在這里我們給出了軟件總體設(shè)計(jì)的思路 并詳細(xì)介紹 了軟件中一些界面的功能及其使用方法 第四章 通過對環(huán)形微帶諧振器的仿真演示 使用戶熟悉軟件的基本操 作 并詳細(xì)給出仿真時(shí)每一步操作的提示 第五章 對軟件進(jìn)行了驗(yàn)證測試并給出軟件仿真的一些實(shí)例 把軟件仿 真的結(jié)果和一些商用軟件及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較 第六章 作為結(jié)論 總結(jié)了本論文所作的工作 并指出了軟件開發(fā)過程 中所遇到的尚未解決的問題 附錄 軟件仿真時(shí)生成的一些數(shù)據(jù)文件 1 0 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章時(shí)域有限差分法基本原理及相關(guān)技術(shù) f d t d 法是求解電磁問題的一種數(shù)值技術(shù) 它于1 9 6 6 年由k s y e e 首次 提出 l k s y e e 利用f d t d 法研究電磁脈沖與理想導(dǎo)體的相互作用 8 0 年 代后期 f d t d 法被成功地用于微波電路的時(shí)域分析中 9 0 年代以來又被用 于天線輻射特性 電磁兼容分析等的計(jì)算問題 隨著其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大和應(yīng) 用效果不斷提高 f d t d 法本身一直在不斷改進(jìn)和補(bǔ)充 近些年來對其的研究 也在迅速發(fā)展 本章將從麥克斯韋方程出發(fā) 簡要闡述時(shí)域有限差分法的基本原理 并 給出軟件中用到的f d t d 相關(guān)的技術(shù) 包括穩(wěn)定性條件 吸收邊界條件 激 勵(lì)源等 詳細(xì)給出軟件程序中對曲面模擬所采用的方法 包括金屬曲面與介質(zhì) 曲面兩種 對軟件所用到的非均勻漸變網(wǎng)格及有耗媒質(zhì)的模擬方法也做了詳盡 的介紹 2 1 時(shí)域有限差分法 2 1 1 有限差分的概念 在電磁場數(shù)值分析的計(jì)算方法中 有限差分法是應(yīng)用得最早的一種方法 它具有簡單 直觀的特點(diǎn) 一直得到廣泛的應(yīng)用 運(yùn)用有限差分的概念求解問 題 其思路是把連續(xù)變量分解為離散變量 從而使得偏微分方程求解轉(zhuǎn)化為差 分方程求解 設(shè)函數(shù) z 的自變量x 有一個(gè)很小的增量缸 h 則相應(yīng)的函數(shù)值的增量 f x 一 x 2 1 a f 稱為函數(shù) x 的一階差分 它與微分不同 因是有限量的差 故稱為有限 差分 由一階差分與增量之比得到的一階差商為 笪 壘 盟二 盟 2 2 a xh 而一階導(dǎo)數(shù) 差 慨警羅必露洲警 協(xié) 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 由于 很小 因此一階導(dǎo)數(shù)將接近一階差商 對它應(yīng)用差分 可近似地表示為 a f 螋 壘 掣二叢墮 前向差分 2 4 dr xh 可見 2 4 式辦越小 差分和微分的值越接近 2 4 稱為前向差分 同理 一階導(dǎo)數(shù)還可近似地表示為 af 掣攀 f x f x h 后向差分 2 5 dx 工h a f a f x f x h i f x h 中心差分 2 6 矗缸2 矗 它們相對于一階導(dǎo)數(shù)的逼近度可通過泰勒公式的展開式得知 由泰勒級數(shù) f x h m o 嗉 去 2 窘 2 7 和 f x h h 一n 差 壺一2 軎 協(xié)s 可見 2 4 式和 2 5 式都截?cái)嘤趶d霉 而對于 2 6 式 有 弛 功怕叫謝差 爭軎 r 2 9 所以中心差分 2 6 式的截?cái)嗾`差為o h 3 顯然 當(dāng)五足夠小時(shí) 用差分替 代微分將獲得足夠的精度 2 1 2 時(shí)域有限差分法的基本原理 f d t d 法從概括了宏觀電磁場基本規(guī)律的m a x w e l l 方程組出發(fā) 充分利用 有限差分的求解精度 實(shí)現(xiàn)對電磁問題的精確求解 時(shí)域有限差分法直接求解 依賴時(shí)間的麥克斯韋旋度方程 利用二階精度的中心差分近似把旋度方程中的 微分算符直接轉(zhuǎn)換為差分形式 這樣達(dá)到在一定體積內(nèi)和一段時(shí)間上對連續(xù)電 磁場數(shù)據(jù)取樣壓縮 2 1 2 1m a x w e il 方程 m a x w e l l 方程組由兩個(gè)旋度方程 1 2 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 v e r o p 翌業(yè)一p i t r o 優(yōu) v h r o a e 西c r j j e r e 以妒 和兩個(gè)散度方程 v b 門口 0 2 1 0 2 1 1 2 1 2 v d r f p h i r 0 l 2 1 3 構(gòu)成 其中e 為電場強(qiáng)度 單位為伏 米 h 為磁場強(qiáng)度 單位為安 米 d 為 電通密度 b 為磁通密度 占為介電常數(shù) 單位為法 米 為磁導(dǎo)率 單位 為亨 米 盯為電導(dǎo)率 單位為西門子 米 p 為等效磁導(dǎo)率 單位為歐 米 從本質(zhì)上講 兩個(gè)旋度方程是基本的 因?yàn)閮蓚€(gè)散度方程可以由它們導(dǎo)出 因此 研究電磁場問題可以以兩個(gè)旋度方程作為出發(fā)點(diǎn) 在直角坐標(biāo)系中 將 2 1 0 和 2 1 1 兩式中的電磁場矢量分別寫成x y 分量式 有 堡 孕一 a h y 一哦 2 1 4 a a t占 卻 a z 堡 土 譬一譬一面 2 14b 0ts 8 z敏 警 c 警一警一蚓 2 1 4 c 孕 三 孚一等一p h 2 1 4 d o t占o(jì) z卯 警 三c 詈一魯一州 2 1 4 e 孕 三 竽一拿一p h 2 1 4 f d t占卻島 這六個(gè)耦合偏微分方程是f d t d 算法的基礎(chǔ) 2 1 2 2 y e e 氏網(wǎng)格 f d t d 法通過微分差分化建立 2 1 4 式的差分方程 建立差分方程的首 1 3 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 要條件是建立合理的將連續(xù)變量離散化的網(wǎng)格空間剖分體系 y e e 氏網(wǎng)格是一 個(gè)經(jīng)典的網(wǎng)格體系 直角坐標(biāo)系的y e e 氏網(wǎng)格如圖2 1 所示 其特點(diǎn)是 電場 和磁場各分量在空間的取值點(diǎn)被交叉地放置 使得在每個(gè)坐標(biāo)平面上每個(gè)電場 分量由四個(gè)磁場分量所環(huán)繞 同時(shí)每個(gè)磁場分量也由四個(gè)電場分量所環(huán)繞 這 樣的電磁場空間分配符合電磁場的基本規(guī)律 亦即m a x w e l l 方程的基本要求 i r i 1 j k e i i k e i j l k 圖2 1y e e 氏差分網(wǎng)格 2 1 2 3 基本f d t d 方程 y e e 采用矩形網(wǎng)格進(jìn)行空間離散 將每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號 節(jié)點(diǎn)的編號和其 空問坐標(biāo)位置按照下面的方式對應(yīng)起來 f j k 錚 i d x j a y 2 1 5 而該點(diǎn)的任意函數(shù)f x y z f 在時(shí)刻n a t 的值可以表示為 f f j k f i 山c j a y k a z n a t 2 1 6 其中 a x 如 a z 分別為沿一y z 方向上離散的空間步長 f 是時(shí)間步 長 y e e 采用中心差分來代替對時(shí)間和空間的微分 因此具有二階精度 掣掣 皇芝塑 耐 2 盤衄 三 一三 掣 生墮譬 旦趔 o f 2 1 8 西 f 7 按照 2 1 7 和 2 1 8 式 由m a x w e l l 的得到的 2 1 4 式可化為差分方程a 以 2 1 4 a 和 2 1 4 d 為例 所得差分方程如 2 1 9 所示 其它場量的差 分格式與此類似 可參考相關(guān)文獻(xiàn) 在y e e 的差分格式里 每個(gè)網(wǎng)格上各場分量的新值依賴于該點(diǎn)在前一時(shí)間 步長時(shí)刻的值及該點(diǎn)周圍鄰近點(diǎn)上另一場量的場分量早半個(gè)時(shí)間步長時(shí)刻的 1 4 瀲 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 值 因此 在任一給定時(shí)刻 場分量的計(jì)算可一次算出一個(gè)點(diǎn) 或者采用p 個(gè) 并行處理器一次算尸個(gè)點(diǎn) 并行算法 通過這些基本算法 逐個(gè)時(shí)間步長對 模擬區(qū)域各網(wǎng)格點(diǎn)的電磁場交替進(jìn)行計(jì)算 在執(zhí)行到適當(dāng)?shù)臅r(shí)間步數(shù)后 即可 獲得需要的時(shí)域數(shù)值結(jié)果 這種差分格式通常稱之為蛙跳格式 由于具有二階精度 因此f d t d 法的求解誤差一般小于1 可見 f d t d 法是 種高精度的計(jì)算方法 口 f 1 j 女 f e c t 言蘭甕 點(diǎn) c t 1 2 占 f 曇 七 蠆歷 瓦碡蕊而霹面 日 扣扣一一c 扣 a y t 叢生竺二蘭二叢生竺 蘭 p j 1 女 j r 日 七 三 辮 日 一 ct 七 z 刪 t 爭 砑 瓦i 再面麗 e f 七 l 蹦 女 a z 坐竺 墨坐竺 墊 知 1 5 2 1 9 a 2 1 9 b 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 3 時(shí)域有限差分法環(huán)路積分解釋 上面的f d t d 差分方程是從m a x w e l l 方程的微分方程得到 只適用于均勻 變化的媒質(zhì) 因?yàn)閳隽康母鱾€(gè)偏導(dǎo)數(shù)存在且連續(xù)是場量在該點(diǎn)處可微的前提條 件 對于媒質(zhì)均勻性發(fā)生突變的情況 例如分層介質(zhì) 不連續(xù)性結(jié)構(gòu)等 不 能通過m a x w e l l 方程組的微分形式求解 只能利用積分形式求解 但可以證 明f d t d 法對于m a x w e l l 積分方程和微分方程具有相同的形式 我們在下面 給出證明 一 一 e 季 1 f 2 1 q 圖2 2 時(shí)域有限差分法的積分解釋 一一當(dāng) 一 7 7 歲k y 如圖2 2 a 所不 將安培定律用于環(huán)路c 1 有 o i o 蠲2 護(hù)咄 2 2 0 假設(shè)場量在環(huán)路每一邊中點(diǎn)的值等于場量在該邊的平均值 于是 右邊 日 o 一圭 三 x h y 三 五七 三 母 一 一列 j 1 圭 缸一q f i 1 m 圭 緲 再假設(shè)e j j k 1 2 等于e 在小面元最的平均值 于是 用中點(diǎn)差分代替對時(shí) 間的偏導(dǎo) 中點(diǎn)取在 0 1 2 r 得 左邊 警p i m 爭聰m 糾 2 2 2 所以 南 2 2 1 2 2 2 式得 1 6 硐 一q k 芍州 d 從 0 膽o q 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 叭 七 爭啪m 抄學(xué) h i f j 1 j j 1 一日 哼 i i 1 i 三 血 壘竺墨蘭二墮竺墊蘭 緲 2 2 3 上式正是y e e 的差分方程在自由空間的簡化形式 近似地 我們可以推導(dǎo)出 其余電場分量相應(yīng)的差分方程 同樣 我們可以將法拉第定律用于圖2 2 b 所示的環(huán)路c 得到h 分 量的差分方程 和對應(yīng)的y e e 差分方程在自由空間的簡化形式相同 這里不 再贅述推導(dǎo)過程 上述證明給出了另一條差分離散化途徑 這是非常有意義的 因?yàn)閷τ诓?縫 彎曲表面等非均勻變化結(jié)構(gòu) 也可以通過f d t d 法進(jìn)行差分分析 可見 f d t d 法具有對結(jié)構(gòu)的優(yōu)良的普適性 2 2 時(shí)域有限差分法相關(guān)技術(shù) 2 2 1 數(shù)值穩(wěn)定性問題 上述f d t d 方程是一種顯式差分方程 在執(zhí)行時(shí) 存在一個(gè)重要的問題 即算法的穩(wěn)定性問題 這種不穩(wěn)定性表現(xiàn)為在解顯式方程時(shí) 隨著時(shí)間步數(shù)的 繼續(xù)增加 計(jì)算結(jié)果也將無限制地增加 t a f l o v e 等于1 9 7 5 年對y e e 氏差分格 式的穩(wěn)定性進(jìn)行了討論 并導(dǎo)出了對時(shí)間步長的限制條件 數(shù)值解是否穩(wěn)定主 要取決于時(shí)間步長 f 與空間步長 缸 緲 a z 的關(guān)系 對于非均勻媒質(zhì)構(gòu)成的 計(jì)算空間選用如下的穩(wěn)定性條件 a t 一 v i 11 1 歹 2 2 4 其中 v 為仿真空間中電磁波傳播的最大波速 2 2 2 截?cái)噙吔鐥l件 一般地 求解電磁場問題總是假定問題空間是無限大的 即所謂 開放 一1 7 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 系統(tǒng) 在采用f d t d 法計(jì)算時(shí) 所取研究空間越大 需要的存儲量也就越大 計(jì)算時(shí)間也就越長 由于計(jì)算機(jī)硬件條件的限制 實(shí)際上不可能模擬無限大的 空間 因此網(wǎng)格總要在某處被截?cái)?不合理的截?cái)鄬τ?jì)算結(jié)果影響很大 因此 希望通過邊界處理辦法 使得空間的截?cái)嗖挥绊懟虮M可能小地影響對實(shí)際問題 的模擬 一種行之有效的方法就是在截?cái)嗵幵O(shè)置截?cái)噙吔鐥l件 所謂截?cái)噙吔鐥l件 是這樣的一種算法 它不僅能保證邊界場計(jì)算的必要精度 而且還能大大消除 非物理因素引起的入射到截?cái)噙吔绲牟ǖ姆瓷?使得用有限的網(wǎng)格空間就能模 擬電磁場在無界空間中的傳播 截?cái)噙吔鐥l件是f d t d 法的要素之一 從用戶的角度來說 一個(gè)好的吸收邊界 應(yīng)該滿足以下幾個(gè)條件 1 便 于執(zhí)行并且不會給f d t d 核心計(jì)算帶來過重的負(fù)擔(dān) 2 計(jì)算精度應(yīng)滿足太多 數(shù)工程應(yīng)用的要求 3 良好的通用性 不依賴于物體的結(jié)構(gòu)特性和電磁參數(shù) 4 具數(shù)值穩(wěn)定性 綜合考慮以上幾個(gè)因素 我們發(fā)現(xiàn)g e d n e y 完全匹配層和 m u r 的吸收邊界條件是不錯(cuò)的選擇 對于精度要求較高的情況 可選擇前者 但同時(shí)會因增大了仿真空間而影響執(zhí)行效率 對精度要求不太高的情況 可選 用m u r 二階吸收邊界條件 其執(zhí)行效率較高 在這里我們就不詳細(xì)介紹這兩 種邊界條件了 具體內(nèi)容可參考相關(guān)文獻(xiàn) 1 7 2 2 3 激勵(lì)源 實(shí)際的電磁場問題總是包含有激勵(lì)源 因此恰當(dāng)?shù)貙⒓?lì)源引入到網(wǎng)格中 對于正確地模擬電磁場問題是至關(guān)重要的 在激勵(lì)源的引入過程中 為了盡量 減少由此而來的計(jì)算機(jī)內(nèi)存占用和計(jì)算時(shí)間 提高整個(gè)程序的效率 通常要求 激勵(lì)源的實(shí)現(xiàn)盡可能地緊湊 即在f d t d 網(wǎng)格中只用很少的幾個(gè)電 磁 場分 量就可實(shí)現(xiàn)對源的恰當(dāng)模擬 不同的仿真類型需要添加不同的激勵(lì)源 不同的激勵(lì)源需要輸入的參數(shù)也 不一樣 在散射問題中主要是研究平面波與物體的作用 平面波可借助連接條件引 入到網(wǎng)格空間的總場區(qū)中 因此如果用戶選擇平面波入射 除了需要入射波的 入射角度和極化角度外 源的時(shí)間特性也是我們所需要的 在處理微波電路問題時(shí) 與前面解決散射問題有所不同 在對微波電路進(jìn) 行分析時(shí) 是要計(jì)算其中可能存在的各種電磁模式的場分布 為此必須有一個(gè) 能激發(fā)起這些模式的波源 在設(shè)置了波源以后 仍作為初邊值問題 隨著時(shí)間 步的推進(jìn) 模擬電磁波在其中的傳播過程 因此在分析微波電路時(shí) 電磁波由 1 8 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 設(shè)置的源激發(fā) 由源向外傳播 故對所有的邊界都是外行波 不再需要把網(wǎng)格 空間劃分為總場區(qū)和散射場區(qū) 我們軟件中用到的兩種主要設(shè)置方式就是激勵(lì)源和總場 散射場體系兩種 引入技術(shù) 2 2 4 曲面模擬 目標(biāo)物體的模擬是用時(shí)域有限差分法計(jì)算電磁場問題的關(guān)鍵之一 只有在 足夠精確地對物體的幾何形狀 結(jié)構(gòu)組成及其電磁特性進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上 才 有可能正確地計(jì)算其場特性 目標(biāo)物體的存在就是由于它決定了它所占據(jù)空間的電磁性質(zhì) 若物體及其 周圍空問均為非磁性媒質(zhì) 則空間的電磁特性由介電常數(shù)和電導(dǎo)率來決定 這 種情況下在f d t d 中所謂物體的模擬就是在