基于改進FDTD和等效計算區(qū)域分解的輻射場反演綜合計算電磁方法

在研發(fā)大型軍用雷達如空對地雷達，火控雷達，民用氣象雷達等產(chǎn)品過程中經(jīng)常遇到雷達附近的電磁輻射干擾問題，需要對其周邊的不規(guī)則的輻射場進行精確的電磁場強反演還原，以排除其干擾。在通用的計算電磁學方法不能解決問題的情況時，針對這類非對稱特定場景的電磁場分布計算還沒有高效、快速、準確的計算方法的前提下，宇能無線公司提出一種基于改進FDTD和等效計算區(qū)域分解的輻射場反演綜合計算電磁方法， 實現(xiàn)某類發(fā)射場周圍特定區(qū)域任意點的時域近場分布計算、近-遠場電磁變換計算和電磁圖形顯示。該法保障了高效的計算效率和精準的計算精度，同時也有效地減小了計算內(nèi)存消耗。

1.技術(shù)現(xiàn)狀和面臨的難題與挑戰(zhàn)

計算電磁學領(lǐng)域中最常用的數(shù)值計算方法主要有三種，分別為：時域有限差分（finite-difference time-domain, FDTD）法，有限元法（finite element method, FEM）和矩量法（method of moment, MoM）。隨著人們在電磁學領(lǐng)域研究的不斷深入，電磁工程問題主要呈現(xiàn)出寬頻帶化、復雜化的特點。這就對數(shù)值方法提出了兩個方面的要求：一方面，直接在時域?qū)掝l帶特性的時變電磁現(xiàn)象進行分析和計算；另一方面，實施簡單，具有普遍性。正是由于同時具有這兩方面的優(yōu)點，針對要解決的具體問題，本項目研究的高頻不規(guī)則的輻射特點，F(xiàn)DTD法可更適用于該類復雜電磁問題的求解。

盡管電磁場的感應場-輻射場計算方法已開展了大量的研究，然而，高頻輻射且不規(guī)則電磁場的場分布計算在現(xiàn)階段仍面臨著難題與挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一方面，目前，一般延伸線的場分布計算大多數(shù)是遠場計算。高頻輻射且不規(guī)則電磁場感應場-輻射場場分布這一特定場景，其時域近場計算及特征分析鮮有報道。

第二方面，求解電磁場分布問題的數(shù)值方法大部分都是傳統(tǒng)FDTD、MoM、FEM等方法。而對于非對稱結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)格劃分存在軸線上網(wǎng)格遠多于其他方向的網(wǎng)格的問題，不易求解。而且常規(guī)方法需求內(nèi)存消耗以保證其計算精度與計算效率。所以有必要對此類改進方法深入研究如何保證較低內(nèi)存消耗的同時，也保證其有效的計算精度與效率。并進一步擴展數(shù)值方法在電磁學領(lǐng)域的應用。

第三方面，大型雷達周邊瞬時脈沖頻譜范圍大，基于譜域分解的有限元方法難以適用。而時域有限元方法同樣計算復雜且受時間穩(wěn)定性條件限制。

2.基于改進FDTD和等效計算區(qū)域分解計算方法

為解決大型雷達周邊瞬時脈沖電磁場分布計算問題，提出一種基于改進FDTD和等效計算區(qū)域分解的反演計算技術(shù)，實現(xiàn)空間時域電場分布計算、近-遠場變換電磁計算以及電磁圖形顯示。該計算方法的流程具體如下圖所示：

圖2-1、基于改進FDTD和等效計算區(qū)域分解的反演計算技術(shù)流程圖

2.1. 基于節(jié)點變量區(qū)域分解的WLP-FDTD法

傳統(tǒng)無條件穩(wěn)定WLP-FDTD法通過將WLP作為時域基函數(shù)，將麥克斯韋旋度方程中的電場和磁場分量分別展開，再使用伽略金法加權(quán)求內(nèi)積，消除時間項后用中心差分格式離散所有場分量的空間導數(shù)。通過以上步驟，得到以下兩個電場分量的隱式求解方程：

(2-1)

(2-2)

其中每個電場與其周圍的6個電場相互耦合，構(gòu)成一個線性方程組進行聯(lián)立求解。場分量的分布如圖2-2所示。該線性方程組的每一行只含有7個非零元素，是一個稀疏陣。通過將(2-1)和(2-2)寫成如下的矩陣形式：

?(2-3)

其中，A為系數(shù)矩陣，Eq為待求的場分量，Jq為已知的激勵源，bq-1為所有低階已知場分量的和。計算得到的電場Eq只是每個場分量在計算空間中任意一點以WLP為基函數(shù)展開式中的系數(shù)。要得到計算區(qū)域中任意一點的時域場信息，需將這些系數(shù)代入展開式中即可求得具體場值。

圖2-2、TEz波情況下WLP-FDTD電場和磁場分量在空間的分布

無條件穩(wěn)定WLP-FDTD方法盡管在計算效率上相比其他FDTD已有較大提升，但其產(chǎn)生的大型稀疏矩陣仍有進一步優(yōu)化的空間。對此，基于節(jié)點變量的子區(qū)域劃分思想，我們提出了一種更普遍和高效的區(qū)域分解技術(shù)，將隱式無條件穩(wěn)定WLP-FDTD產(chǎn)生的大型稀疏矩陣劃分成若干個互不耦合的小矩陣，通過獨立求解每個小矩陣來提高數(shù)值仿真的效率。這種區(qū)域分解技術(shù)的優(yōu)勢在于，全局Schur Complement矩陣可由所有子區(qū)域的局部Schur Complement矩陣和子區(qū)域之間的耦合矩陣直接組成，因此計算效率可被進一步提升。其中區(qū)域分解思想由圖2-3所示。

圖2-3 區(qū)域分解技術(shù)示意圖。(a)二維計算區(qū)域劃分為三個子區(qū)域；(b)基于棱邊變量的子區(qū)域劃分方式；(c)基于節(jié)點變量的子區(qū)域劃分方式

在基于節(jié)點變量的區(qū)域分解技術(shù)中，首先以均勻的正方形網(wǎng)格離散整個計算區(qū)域，再將計算區(qū)域劃分成3個子區(qū)域，如圖2-3(a)所示。對于特殊的仿真結(jié)構(gòu)，可以使用非共形區(qū)域分解技術(shù)在不同子區(qū)域內(nèi)部獨立剖分網(wǎng)格，此時子區(qū)域之間的分界面需要更復雜的處理。劃分子區(qū)域后，對矩陣系統(tǒng)的元素重新排序，依次排列所有完全屬于子區(qū)域內(nèi)部的矩陣元素，再將所有位于分界面上的矩陣元素放在最后面，即可得到基于節(jié)點變量劃分子區(qū)域的Schur Complement系統(tǒng)。對于其中的任意一個子區(qū)域，局部Schur Complement系統(tǒng)會生成一個只包含位于分界面的場分量的方程組。因此，整個計算區(qū)域的全局Schur Complement系統(tǒng)可由局部Schur Complement系統(tǒng)與各個子區(qū)域之間的耦合子矩陣直接組成。由此可節(jié)省計算資源，提高計算效率。

2.2. 等效區(qū)域的場分布計算

傳統(tǒng)計算電磁學方法常需利用計算區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格點計算觀測面位置的場分布。盡管全局計算區(qū)域(Global Calculation Area, GCA)保證了良好的計算精度，但影響了內(nèi)存消耗和計算效率。因此，研究了一種等效計算區(qū)域(Equivalent Calculation Area, ECA)優(yōu)化劃分與輻射場場分布計算方法，以此提升算法綜合性能。

2.2.1. GCA場分布計算

時域輻射場觀測面計算區(qū)域模型中時域輻射場分布觀測區(qū)域為高頻中心軸線周圍一定半徑的柱狀區(qū)域，該半徑分別為0.3m、0.5m、1m和10m。時域輻射場觀測面可假設(shè)為整個柱狀區(qū)域沿高頻部分的剖分。因此，根據(jù)近場分布計算相關(guān)內(nèi)容，觀測面上的時域輻射場場分布計算為：

(2-4)

其中，為第t'時刻高頻線上的位置矢量處的電流密度，為第t時刻映射至時域輻射場觀測面的位置矢量處的格林函數(shù)，為第t時刻時域輻射場觀測面位置矢量處的該點處的電場強度。GCA為整個電纜結(jié)構(gòu)的全局計算區(qū)域。

然而，一方面，半徑為1m和10m的柱狀觀察區(qū)域極大，大量網(wǎng)格的剖分十分不利于內(nèi)存消耗和計算效率。這對仿真驗證研究工作的開展將有極為嚴峻的挑戰(zhàn)。另一方面，設(shè)一個區(qū)域長/寬/厚尺寸約為800mm×10mm×0.5mm，其長寬比和長厚比高至80和1600，使得沿軸線上的網(wǎng)格剖分增多。因此，GCA場分布計算法難以適用于高頻分布的輻射場場分布計算。

2.2.2 ECA優(yōu)化劃分與場分布計算

ECA網(wǎng)格綜合優(yōu)化劃分影響著輻射場場分布計算精度。最優(yōu)ECA劃分可按照下列方法求取。

一方面，根據(jù)式(2-4)，基于ECA網(wǎng)格劃分的時域輻射場觀測面上的場分布計算為：

(2-5)

如圖2-5所示。以ECA網(wǎng)格長為參量掃描，將計算網(wǎng)格劃分為ECA1,ECA2,?,ECAN。各場分布差量計算為：

?(2-6)

其中：

(2-7)

(2-8)

式中i=1,2,?,N-1。當ΔEi無限逼近于0，此時ECAi和ECAi+1網(wǎng)格劃分可認為是最優(yōu)ECAopt。此時，時域輻射場觀測面上的場分布計算為：

(2-9)

另一方面，可考察ECA場分布計算與GCA場分布計算差量：

?(2-10)

(2-11)

式中i=1,2,?,N，當ΔE無限逼近于0，此時可認為ECAi網(wǎng)格劃分是最優(yōu)的ECAopt。

ECA場分布計算可將全局計算區(qū)域等效為有效計算區(qū)域，ECA最優(yōu)劃分可對不同柱狀觀測區(qū)域的場分布再次計算提供最優(yōu)計算區(qū)域，以此提高計算效率，減小計算內(nèi)存損耗。

2.3 近-遠場變換電磁計算

2.3.1基于等效原理的近場外推法

為了根據(jù)以上方法在近場有限區(qū)域計算所得的電磁場，可利用等效原理與惠更斯原理進行近場外推計算，從而獲得遠區(qū)的輻射場?；诘刃г淼慕鼒鐾馔品ㄊ窍仍趫鲈粗車胪馔茢?shù)據(jù)儲存邊界面A，如圖2-4所示。假設(shè)A面外為自由空間。如果保持界面A處場EH的且向分量不變，而令A面內(nèi)的場為零，根據(jù)唯一性定理，這種情況與原始情況在分界面A以外的場分布不變，A面處的電場與磁場用EA、HA表示。

根據(jù)邊界條件與等效原理，A面處的等效面電流和等效面磁流，由以下公式計算獲得：

?(2-12)

式中為分界面A的外法向。原問題變?yōu)锳面處面電流和面磁流在全空間為自由空間時的輻射問題。

圖2-4、由數(shù)據(jù)存儲邊界外推遠區(qū)場示意圖

對于時諧場情況，均勻介質(zhì)匯總存在電流與磁流時的麥克斯韋方程為：

?(2-13)

電流與磁流的輻射場為：

(2-14)

(2-15)

其中

(2-16)

式(2-16)中和為矢量勢函數(shù)；為自由空間格林函數(shù)，其中三維情況中自由空間的格林函數(shù)為：

?(2-17)

其中，分別為觀察點和等效源點位置矢量，如圖1所示。可以取遠區(qū)近似：

?(2-18)

因此，自由空間三維遠區(qū)格林函數(shù)可近似為：

(2-19)

將公式(2-19)代入到公式(2-16)可得：

(2-20)

對遠區(qū)場可以分離出球面波因子。電流矩和磁流矩分別為：

(2-21)

公式(2-21)中，為散射波矢量：

?(2-22)

在遠區(qū)，公式(2-14)、(2-15)可中的▽算子可以用取代，所以：

(2-23)

(2-24)

將公式(2-23)右端轉(zhuǎn)換為球坐標分量形式：

?(2-25)

同理，由(2-24)式得到的遠區(qū)場球坐標分量為：

?(2-26)

將(2-25)式用電流矩和磁流矩表示為：

(2-27)

其中為波阻抗。遠區(qū)和的關(guān)系如同平面波。

若已知的分界面A上電場分布計算是在直角坐標系進行的，也即、是直角坐標分量。可以將公式(2-25)轉(zhuǎn)換為：

(2-28)

根據(jù)(2-27)或(2-28)式即可求解出目標遠場分布。

2.3.2 球面波展開法求場源的遠場分布

運用電磁場的球面展開理論，在已知源的電流分布情況下，將自由空間中場源產(chǎn)生的電磁場分解為球坐標系中的標量波函數(shù)的線性組合。通過計算該求和公式中標量波函數(shù)分別對應的各項系數(shù)，從而求解出場源的遠區(qū)場。

設(shè)r≥R的球面內(nèi)包括了整個場源，當在r≥R的區(qū)域時的各個觀測點處于無源區(qū)，電磁場是無散無旋的，在該區(qū)域的電場可以展開為球面波函數(shù)的線性疊加，表示為：

(2-29)

式中，、均為矢量波函數(shù)，表達式如下所示

?(2-30)

(2-31)

上式的Ψmn是標量波函數(shù)，為齊次標量Helmholtz方程在球坐標系下的解，在無限大的自由空間中，Ψmn的表達式為：

?(2-32)

其中，為第二類n階Hankel函數(shù)，為第一類連帶Legendre函數(shù)。

通過求解場強的r分量可以獲得各項系數(shù)amn、bmn，如下式所示：

(2-33)

(2-34)

其中，為場源的電流分布，

?(2-35)

由公式(2-33)、(2-34)可知，系數(shù)amn和bmn均與距離r無關(guān)，因此該系數(shù)適合任何場點。將(2-33)、(2-34)代入(2-35)式即可求得無源區(qū)域的場分布。

當觀測點處于場源的遠場區(qū)時，由于kr→∞，則，

因此：

(2-36)

(2-37)

將以上結(jié)果代入到(2-29)中可得：

(2-38)

因此，在已知場源的電流分布的情況下,可以計算獲取在場源的遠場區(qū)域內(nèi)觀測點的電場分布。該方法中球面波展開式的級數(shù)求和比積分求積簡單，適合數(shù)值計算。

2.3.3 基于平面波譜展開理論的近遠場變換方法

假設(shè)自由空間中，無源區(qū)域內(nèi)某觀測點的電場為，可以通過傅里葉變換在空間頻域展開：

(2-39)

其中，為觀測點的位置矢量，kx和ky分別表示自由空間中波矢量的x和y分量，且。為沿?方向的平面波。為傅里葉變換后每個方向的平面波對應的頻譜。上式說明，空間任意一點的電場可以表示成沿各個不同方向的平面波的積分求和。如果想要獲取空間中的場，我們只需要求得觀測點沿不同方向傳播的頻譜,即可獲得該觀測點的電場。

由于無源區(qū)域內(nèi),可以獲得：

?(2-40)

所以：

(2-41)

假設(shè)已知在場源的近場區(qū)域內(nèi)z=d1平面上的切向電場，該平面上切向電場可根據(jù)公式(2-39)表示為：

(2-42)

因此將進行傅里葉變換即可獲得不同方向平面波對應的頻譜：

(2-43)

將(2-43)代入(2-41)可求出，因此：

?(2-44)

將公式(2-44)中計算獲得的頻譜代入到(2-39)中，即可獲得在場源外自由空間中的電場分布。當觀測點距離場源的距離r很遠時，可以通過駐相法對運算進行簡化。進一步的，由于當，也即時，平面波沿z軸呈指數(shù)衰減，高波數(shù)時對應的衰減更大，在計算遠場時可以忽略。

3.項目內(nèi)容結(jié)果

結(jié)合電磁場中區(qū)域分解技術(shù)，將高頻輻射裝置分解提取出相應的幾何參數(shù)，進行了負載短路周邊輻射場的電磁仿真工作。

3.1. 短路負載

短路負載模型結(jié)合轉(zhuǎn)接裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料屬性，進行如下的仿真設(shè)置：轉(zhuǎn)接裝置的底座部分設(shè)置為εr=2.1，tanδe=0.001的電介質(zhì)材料，然后兩根金屬引線與短路線相連，引線的末端設(shè)置為集總端口激勵。

圖3-1 短路負載電磁仿真（a）短路負載S11參數(shù)；（b）短路負載輸入阻抗

圖3-2 在3.8GHz頻點處的增益方向圖

短路負載S11參數(shù)和輸入阻抗分別如圖3-1(a)和(b)所示。其中，仿真計算的頻段為1～4GHz。從輸入阻抗曲線上看，在1～4GHz頻段內(nèi)，一共出現(xiàn)3處輸入電抗為0的頻點，代表三個諧振點，其中3.8GHz處的輸入阻抗與50Ω最接近。因此，可研究該頻點的增益方向圖，如圖3-2所示。不考慮匹配效率，最大增益為4.7619dBi，倘若考慮匹配效率，最大實際增益為3.0517dBi。

3.2. 整體聯(lián)合仿真

短路負載與整體結(jié)構(gòu)的仿真，完成近場分布計算。該模型在Y方向上的最大長度約為6.4cm，在X方向上的最大長度為2.78cm。設(shè)中心為坐標原點O，以邊長為40cm的正方體為近場觀測面。若該觀察面邊長足夠大，遠大于該長度即40cm、且計算區(qū)域同樣很大，如要求的1m/10m的柱狀區(qū)域，那么計算如此大的區(qū)域則會占用極大的計算資源（邊長60cm的正方體空氣盒子占用內(nèi)存超過1TB）。

表3-1遠場條件和輻射增益

如果以D=6.4cm作為短路負載的最大尺寸，根據(jù)天線教材上面給出遠場距離條件：

?(4-1)

仿真頻段為0.4～6GHz，下表即為不同頻點的遠場距離和增益：

該頻段的S11參數(shù)曲線如圖3-3(a)所示，盡管分別在2.1GHz、4.1GHz和6GHz附近存在諧振點，但輸入阻抗與50Ω相差較大。將頻段拓展至6.5GHz時，其輸入阻抗為42.836+j5.6473Ω，S11參數(shù)小于-20dB。短路負載從2GHz開始能夠進行有效的電磁輻射，增益在5dBi以上；在1GHz以下，增益非常低。整體結(jié)構(gòu)的場強方向圖如圖3-3(b)所示，選取的頻點為0.4GHz。其方向性系數(shù)是1.55dBi，即1.43，呈現(xiàn)為全向輻射狀態(tài)，最大輻射方向出現(xiàn)在線圈所在平面，可等效為電小環(huán)輻射。圖3-4至圖3-7分別為0.4GHz、2.1GHz、4.1GHz和6GHz處的電場和磁場分布。而圖3-8為不同頻點下的增益方向圖。從方向圖的形狀來看，金屬線圈的周長接近于一個波長，短路負載的輻射方向圖和一波長的大環(huán)天線方向圖形狀非常接近。

圖3-3 (a)S11參數(shù)曲線；(b)0.4GHz處的場強方向圖；

圖3-4 0.4GHz處場分布。(a)電場；(b)磁場；

圖3-5 2.1GHz處場分布。(a)電場；(b)磁場；

圖3-6 4.1GHz處場分布。(a)電場；(b)磁場；

圖3-7 6GHz處場分布。(a)電場；(b)磁場；

圖3-8 增益方向圖。(a)2.1 GHz；(b) 4.1 GHz；(c) 6 GHz

4.技術(shù)及應用

基于此改進FDTD和等效計算區(qū)域分解的計算電磁技術(shù)能夠有效反演還原大型復雜雷達系統(tǒng)的周邊電磁場場強，分析出系統(tǒng)工作時對周圍環(huán)境的影響，從而做出精確的反干擾或者其他規(guī)避措施，也可以用于分析被探測目標物體的電磁散射，計算出電磁場場強，建立分布模型的賦形場，從而還原出物體的電磁特性，進而進行物體的成像還原或者跟蹤等上層應用。

原文標題：大型相控陣雷達周邊復雜區(qū)域的電磁反演技術(shù)

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責任編輯：haq