快速電磁計量軟件包設計及應用

陸穎穎（南京郵電大學通達學院，江蘇揚州，225127）

快速電磁計量軟件包設計及應用

陸穎穎
（南京郵電大學通達學院，江蘇揚州，225127）

在現(xiàn)代電磁現(xiàn)象隨處可見的信息時代中，電磁場理論被廣泛應用到科學技術的各個領域中，比如移動通訊、無線電波傳播、雷達技術、天線、衛(wèi)星通信、微波電子線路等，各種不同形式的應用對電磁場理論提出了較高的要求，但是全新的應用對電磁場問題的快速求解也越來越依賴。為了滿足工程使用的需求，電磁學就要不斷的改善及改進，從而能夠解決計算機存儲量及運算速度不斷發(fā)展，從而使其受到限制的問題。將計算機技術及數(shù)值算法相結合，提高復雜目標問題求解的快速性及精準性，為電磁使用提供基礎。基于此，本文就對快速電磁計算軟件包的設計進行研究，并且對其的應用進行描述。

快速算法；計算電磁學；軟件包；設計應用

0 引言

在對電磁場理論及數(shù)值算法研究及使用過程中，國外的開展比國內早，在電磁場數(shù)值算法方面及電磁問題解決方面一直處于領先狀態(tài)，所以現(xiàn)社會中使用的商業(yè)電磁仿真軟件都是國外研發(fā)的，比如XFDTD、CST等，并且軟件的核心算法都不同，有矩量法、有限元法等，其被廣泛應用到電子設計及電磁仿真方面。但是國外能夠對大尺寸進行計算的軟件包限制在我國使用，那么開發(fā)具有自主知識產權快速電磁軟件具有重要的現(xiàn)實意義。

1 快速電磁計算軟件包的設計

電磁仿真軟件不僅要具有高效的核心算法支持，還要具備前后處理模塊。

1.1 前處理模塊

前處理模塊的主要作用就是創(chuàng)建三維模型，從而實現(xiàn)節(jié)點、三角形提取等有效信息。

使用ANSYS、GID、FEMAP等軟件實現(xiàn)幾何模型創(chuàng)建，通過TCL/TK語言實現(xiàn)GID軟件的二次開發(fā)，從而在系統(tǒng)軟件中集成，完善軟件包的建模功能。

使用FEMAP及GID軟件進行網(wǎng)格劃分，從而實現(xiàn)三維模型創(chuàng)建過程中產生的文件格式，比如.dwg、.dxp文件等，通過網(wǎng)格的劃分生成具有較高質量的數(shù)據(jù)文件及自適應網(wǎng)絡，其中包括三角形網(wǎng)格的坐標及編號、三角形單元編號及單元組成節(jié)點等【1】。

通過接口程序的編寫，將三角形和節(jié)點信息進行提取。首先，實現(xiàn)刨分文件中撒尿性及節(jié)點信息的提取，之后根據(jù)RWG基函數(shù)定義實現(xiàn)內邊信息的生成。如果出現(xiàn)多面連接，那么有可能是和多個不同的三角形單元進行連接，并且對應多個基函數(shù)，通過電流的連續(xù)性實現(xiàn)多面連接的修正，通過GFIE及MFTE對閉合結構的散射問題進行分析，對表面單位外法向矢量進行計算，雖然刨分軟件產生三角形網(wǎng)格的過程中也會產生法向矢量，但是其不全部都是外法向矢量，所以要通過預處理程序進行進一步的判斷，從而生成歸一化三角形網(wǎng)格外法向矢量【2】。

1.2 后處理模塊

計算時域積分方程得到的結果一般都是在不同時間的表面電流系數(shù)，這些系數(shù)要能夠進行處理，才能夠計算出要求的電磁參數(shù)的三維或者二維，這方面也是軟件需要具備的功能。

編寫RCS、瞬態(tài)遠場分布、時刻電流分布及天線方向圖等函數(shù)，從而實現(xiàn)提取電磁參數(shù)模塊的設計。

通過Pro 6.0 組件實現(xiàn)圖形展示模塊的開發(fā)，此模塊的主要功能就是實現(xiàn)極坐標、二維坐標及l(fā)og坐標的顯示，并且實現(xiàn)圖形保存和導出。

通過和后處理模塊接口程序的編寫，通過GIS中的數(shù)據(jù)可視化將三角形網(wǎng)格中的電流分布及位置矢量顯示出來，并且將表面的電流分布先顯示出來。

1.3 計算模塊

計算模塊是快速電磁計算軟件包的重要模塊，直接影響軟件在運行過程中的精度及效率，計算模塊主要包括以下內容。

時域自適應：其主要目的是實現(xiàn)類平面結構中電磁散射問題的解決，其能夠解決一萬左右的數(shù)量，如果非類平面結構或者未知數(shù)規(guī)模在兩萬以上的時候，那么就要使用時域平面波算法實現(xiàn)；

時域平面波：其是系統(tǒng)中的重點內容，主要包括遠組計算和近組計算。遠組計算的主要目的為實現(xiàn)PWID的投射、轉移及聚集；近組計算的主要目的是通過MOT實現(xiàn)電場積分方程的計算。將PWID算法使用到計算機中，能夠有效解決六萬多未知數(shù)規(guī)模計算，如果問題大于六萬，就需要使用并行分布或者混合計算；

MOT模塊的主要目的就是對于多個電磁問題，軟件包能夠使用戶通過多個算法進行計算，從而滿足效率及精度最優(yōu)的需求。MOT具有較小的計算較小，一般只有一千個未知數(shù)；

混合計算模塊的主要目的就是實現(xiàn)電磁中的兼容問題，不受任何因素的限制，將PWID及UID算法的結合，能夠有效解決這些問題；

并行分布模塊的主要目的就是通過前臺界面設置端口號及局域網(wǎng)成員機的IP地址，后臺使用.NET進行分布式計算，在局域網(wǎng)中能夠實現(xiàn)三十萬以下未知數(shù)問題的解決【3】。

2 快速算法

2.1 RCS函數(shù)的計算

假如介質相對介電常數(shù)表示為ε，厚度表示為d，在介質表面，通過邊界條件，切向電場表示為0，得到下式：

Es表示導體表面的散射場，Ei表示入射場，見下式：

將入射場在坐標中分解為θ和φ兩個方向的分量，Er表示入射場直接作用字啊介質表面中的發(fā)射場，表示為：

RTM、RTE分別表示TM、TE波入射時候，在介質表面產生的廣義反射系數(shù)，將微帶貼片表面的電流求出，就能夠得到原廠散射，可以通過互易定理得到，互易定理為：

通過以上能夠對電磁場輻射問題進行分析。

2.2 FFT算法

FFT算法是DFT的高效算法，其主要分為兩種類型，分別為時間抽取及頻率抽取：

時間抽取：假設N點序列x(n)，將x(n)根據(jù)奇偶進行分組，得到以下公式：

WN=-j（2π/N）

一個N點DFT能偶分解為N/2的DFT，繼續(xù)進行分解及迭代。

將數(shù)據(jù)輸入到存儲器之后，每級運算的結果還是要存儲到同一組存儲器中，最后進行輸出，中間沒有其他存儲器。根據(jù)時間將原位運算結構進行抽取，在運算結束之后能夠直接根據(jù)一定的順序進行輸出。

頻率抽取：頻率抽取是根據(jù)頻率實現(xiàn)抽取的算法，加入N=2∧M，使x（n）根據(jù)前后部分進行分解，通過k的奇偶分為兩組，那么在得到兩個N/2點的DFT運算之后，根據(jù)分解和迭代，就能夠實現(xiàn)輸出【4】。

3 結束語

將本文所設計的快速電磁計算軟件包應用到某戰(zhàn)斗機中，戰(zhàn)斗機的長度為20.21m，高度為4.3m，翼展為14.1m，將結構進行刨分為三角面一共有25364個，一共有30254個未知數(shù)進行計算。將不同時刻的表面電流分布數(shù)據(jù)進行收集，將電流x方向中的分量進行顯示，能夠有效看到脈沖掠過飛機，飛機中能夠感應到電流極化方向的分量峰值，在得到表面電流之后，就能夠計算出RCS、瞬態(tài)遠場分布等一系列的電磁參數(shù)。

本文所設計的軟件包主要包括軟件集成和算法研究兩部分，通過軟件在工程實踐中使用，表示能夠通過算法實現(xiàn)其功能。通過計算機編程語言實現(xiàn)算法測試環(huán)境的編寫，從而創(chuàng)建電磁場數(shù)值計算軟件包，這個過程較為復雜且費時費力。

[1]王麗華.ANSYS軟件在永磁同步發(fā)電機電磁場分析中的應用[J].計量與測試技術,2012, 39(8):39-40.

[2]王文舉,呂帥.快速電磁計算軟件包設計與應用[J].電腦編程技巧與維護, 2012(24):23-24.

[3]江玉柱,張偉,井賽等.一種野戰(zhàn)便攜式電磁計量檢定儀的研制[J].中國醫(yī)療設備,2014, 29(7):26-28.

[4]程健,郭丹丹,張俊華.基于空間電磁環(huán)境模擬的系統(tǒng)間電磁兼容性預測分析軟件設計[J]. 計量技術,2011(8):7-10.

Design and Application of Fast Electromagnetic Metering Software Package

Lu Yingying
(Tongda college, nanjing university of posts and telecommunications,Yangzhou Jiangsu,225127)

Electromagnetic field theory is widely used in various fields of science and technology in the information age where modern electromagnetic phenomena are everywhere. For example, mobile communication, radio wave propagation, radar technology, antenna, satellite communication, microwave electronic circuit and so on. The application of different forms of electromagnetic field theory put forward higher requirements, but the new application of the electromagnetic field problem is also increasingly dependent on the solution. In order to meet the needs of engineering use, electromagnetics will continue to improve and improve, which can solve the computer storage capacity and computing speed of continuous development, so that it is limited. The combination of computer technology and numerical algorithms is proposed to improve the speed and precision of solving complex target problems and provide the basis for electromagnetic use. Based on this, the design of the fast electromagnetic calculation software package is studied in this paper, and its application is described.

fast algorithm; computational electromagnetics; software package; design application