面向矩量法計算的電大尺寸載體分區計算方法
2023-09-13 10:02:55
專利名稱：面向矩量法計算的電大尺寸載體分區計算方法
技術領域：
本發明屬於電大尺寸目標電磁計算應用範疇，特別設計ー種面向矩量法計算的電大尺寸載體分區計算方法，適用於電大尺寸系統電磁兼容問題的仿真計算。
背景技術：
對於現代移動通信平臺，如車載平臺、艦載平臺以及機載平臺來說，由於其整體結構較大，上裝設備繁多複雜，且頻段接近，這樣相互間幹擾非常嚴重。由於此類系統電磁兼容問題比較嚴酷，因而在設計系統時需要對此系統進行詳細的電磁兼容仿真，來獲得系統的電磁兼容特性，進而指導實際的系統電磁兼容設計，使系統上裝的所有設備能夠進行合理的布局，滿足電磁兼容要求。常用傳統的矩量法對此類大規 模的系統完整模型進行仿真計算，無法實現。
發明內容
本發明的目的是針對電大尺寸目標存在的電磁兼容仿真計算問題，提供一種面向矩量法計算的電大尺寸載體分區計算方法，為大規模尺寸目標的仿真計算提供依據。實現對電大尺寸目標電磁兼容問題的仿真計算。本發明的目的是這樣實現的，面向矩量法計算的電大尺寸載體分區計算方法，其特徵是至少包括步驟101 :根據該電大尺寸載體的實際模型，將其分為多個區域，對每個単獨的區域進行建模；根據天線的位置坐標以及天線的實際長度進行天線的建模；步驟102 :將步驟101所建的模型進行組合為ー個単元模型；步驟103 :將所有建立好的每個區域的結構，將其進行組件；若兩個區域有共同的部分，將其自動識別並剔除，最後形成一個整體模型；步驟104 :設置整體模型所需要仿真計算的天線對編號，求解頻率；步驟105 :對整體模型的自動網格劃分；步驟106 :獲得網格劃分後的面片數；步驟107 :將網格劃分後的面片數與實際矩量法所能計算的門限值進行比對，若在其能夠計算的閾值之內，進入步驟108 ;若網格劃分出的面片數大於矩量法計算的門限面片值，進入步驟110;步驟108，調用矩量法進行計算；步驟109，輸出；步驟110 :模型的一級簡化；步驟111 :調用步驟104所設置的求解天線對以及求解頻率，再次對此模型進行網格劃分；步驟112 :獲得ー級簡化模型網格劃分後的面片數；
步驟113 :與實際矩量法所能計算的門限值進行比對，若在其能夠計算的閾值之內，返回步驟108;若網格劃分出的面片數大於矩量法計算的門限面片值，自動進行步驟114 ；步驟114 :模型的ニ級簡化；步驟115 :獲得步驟104設置的求解天線對以及求解頻率，再次對此模型進行網格劃分；步驟116 :獲得ニ級簡化模型網格劃分後的面片數；步驟117 :與實際矩量法所能計算的門限值進行比對，若在其能夠計算的閾值之內，返回步驟108 ;若網格劃分出的面片數大於矩量法計算的門限面片值，進入步驟118 ；步驟118 :提示無法計算,退出。
所述的步驟101 :根據電大尺寸載體的實際模型，將其分為多個區域，對每個単獨的區域進行建摸；根據天線的位置坐標以及天線的實際長度進行天線的建模時，是通過三角形面片、四邊形面片進行組件建摸；通過三角形面片、四邊形面片進行組件建模時遵循「右手法則」。所述的三角形面片、四邊形面片進行組件建模時，三角形面片、四邊形面片接合處沒有縫隙。所述的步驟110 :模型的ー級簡化，包括步驟步驟201，根據步驟104中輸入的針對該計算模型所需要仿真計算的天線對編號，在上述總體模型文件中，提取該上裝天線對的具體位置；步驟202 :根據步驟201中所提取的該上裝天線對的具體位置，判斷該計算模型中所有面片與此天線對固定端是否在同一面及相關面；步驟203，根據步驟202中的判斷結果，剔除與該天線位置非相關的所有面片；步驟204，根據步驟203中的剔除非相關面片後的簡化結果，生成一級簡化模型。所述的步驟114，模型的ニ級簡化，包括步驟步驟301，即根據步驟104中輸入的針對該計算模型所需要仿真計算的天線對編號，在步驟204中生成的一級簡化模型文件中，提取該上裝天線對的具體位置；步驟302，根據步驟301中所提取的該上裝天線對的具體位置，判斷此對天線位置關係;步驟303，根據步驟302中的判斷結果，根據此對天線位置關係自動剔除對此天線耦合度影響很小面片；步驟304，根據步驟303中的剔除非相關面片後的簡化結果，生成ニ級簡化模型。本發明依據通信平臺上實際設備布局情況，對實際的載體模型進行簡化，通過多級模型簡化算法，在滿足實際計算要求的基礎之上，實現最大可能保持模型的整體形狀和尺寸；根據電波傳播理論，以及關切實際天線間耦合度相關的模型局部因素，如保留收發天線對之間表面局部因素的影響，對模型進行簡化，以此儘量滿足仿真精度，實現計算時間與計算精度的雙重要求。
圖I本發明的總體仿真流程圖2是本發明的一級簡化模型流程圖；圖3是本發明的ニ級簡化模型流程圖；圖4是電小尺寸模型原始圖；圖5是電小尺寸原始模 型耦合度計算結果表示圖；圖6是電小尺寸模型原始圖的ー級簡化模型圖；圖7是電小尺寸模型的一級簡化模型耦合度計算結果表示圖；圖8是電大尺寸載體示意圖；圖9是電大尺寸模型的一級簡化模型原始圖；圖10是電大尺寸模型的一級簡化模型耦合度計算結果表示圖；圖11是電大尺寸模型的ニ級簡化模型圖；圖12是電大尺寸模型的ニ級簡化模型耦合度計算結果表示圖。
具體實施例方式電大尺寸載體分區計算方法技術主要包含上裝平臺及天線分區域建模、模型自動分區域簡化、電磁仿真計算三個部分。電大尺寸載體分區計算方法技術對於電大尺寸目標的計算實現模型的分級簡化，以滿足在現今計算機硬體條件的基礎上，實現計算精度和計算時間的共同滿足。以下結合附圖對本發明一面向矩量法計算的電大尺寸載體分區計算方法作進ー步詳細描述參照圖I、圖2、圖3，本發明——面向矩量法計算的電大尺寸載體分區計算方法包括如下步驟步驟I對電大尺寸載體進行分區域建模以及模型的組建首先，根據電大尺寸平臺的形狀尺寸以及天線上裝位置，對此類模型進行分區域建模。其具體建模步驟如下步驟101 :由於電大尺寸載體結構尺寸很大，在實際建立該模型吋，對此進行分區域建摸。即首先根據該電大尺寸載體的實際模型，將其分為多個區域，對每個単獨的區域進行建摸；進行天線建模時，根據天線的位置坐標以及天線的實際長度進行天線的建摸。在對此模型進行分區域建模時，需要遵循以下幾個原則I)該模型為三角形面片、四邊形面片進行組件而成；進行三角形面片，四邊形面片建立時應遵循「右手法則」，即「外法矢朝外」原則；2)所建的三角形、四邊形面片接合處，不能夠有縫隙；步驟102 :進行電大尺寸載體單元模型的組建，即將上述所建的區域模型和其對應的天線進行組合為一個單元模型；步驟103 :將所有建立好的単元模型進行組件；組建時，軟體內部自動實現「共面識別消除」，即若兩個區域有共同的部分，將其自動識別並剔除，最後形成一個整體模型。步驟2對所建模型進行多級簡化步驟104 :設置針對該計算模型所需要仿真計算的天線對編號，以及求解頻率。步驟105 :通過面片剖分技術實現對此模型的自動網格劃分。
步驟106 :獲得網格劃分後的面片數；步驟107 :根據獲得的該面片數進行計算能力預估，即將網格劃分後的面片數與實際矩量法所能計算的門限值進行比對，若在其能夠計算的閾值之內，進入步驟108調用矩量法進行計算；若網格劃分出的面片數大於矩量法計算的門限面片值，自動進行模型的
ー級簡化。其計算具體步驟如下步驟110 :即模型的ー級簡化，最基本的原則是忽略上裝平臺非上裝面因素的影響；對於電大尺寸平臺，如車載、艦載來說，其上裝天線系統一般都位於其上部；對於機載上裝平臺來說，其工作於同頻段、鄰頻段或諧波頻段的天線對都工作於機載平臺的同一面。對於此類系統來說其內部電磁兼容問題，主要關注的影響因素為天線間耦合度。步驟201 :即根據步驟104中輸入的針對該計算模型所需要仿真計算的天線對編 號，在上述總體模型文件中，提取該上裝天線對的具體位置。步驟202 :根據步驟201中所提取的該上裝天線對的具體位置，判斷該計算模型中所有面片與此天線對固定端是否在同一面及相關面。步驟203 :根據步驟202中的判斷結果，剔除與該天線位置非相關的所有面片。步驟204 :根據步驟203中的剔除非相關面片後的簡化結果，生成一級簡化模型。步驟111 :調用步驟104所設置的求解天線對以及求解頻率，再次對步驟204生成的一級簡化模型進行網格劃分。步驟112 :獲得ー級簡化模型網格劃分後的面片數。步驟113 :若此面片數與實際矩量法所能計算的門限值進行比對，若在其能夠計算的閾值之內，進入步驟108調用矩量法進行計算；若網格劃分出的面片數大於矩量法計算的門限面片值，自動進行模型的ニ級簡化。其中天線間耦合度最主要影響因素為天線所在平臺的尺寸、形狀、位置關係、以及收發天線對之間的模型因素的影響等，而上裝天線背面區域對其影響很小故可以忽略。以FEKO仿真為例，以ー個電小尺寸模型的計算精度來說明此模型簡化方法的正確性，以ー個5m*5m*3m平臺為例，如圖4所示為電小尺寸模型原始圖，其上裝有2個天線，天線長度均為3m，考慮其中天線對之間的耦合度，圖5為電小尺寸原始模型耦合度計算結果表示圖，即為此模型上裝天線對在30MHz 88MHz頻段上均分十個頻點吋，每個點的耦合度計算值。以此平臺為例將此模型進行簡化，圖6所示為該電小尺寸模型的一級簡化模型圖，忽略模型底部構成對其實際耦合度的影響，其上裝天線的長度及位置參數與原始模型相同，考慮其中天線對之間的耦合度，圖7所示為該電小尺寸模型的一級簡化模型耦合度計算結果圖，即模型上裝天線對在30MHz 88MHz頻段上均分十個頻點吋，每個點的耦合度計算值。將圖5和圖7進行比對，即電小尺寸原始模型和一級簡化模型的耦合度仿真結果，進行比較，兩者誤差很小，對於此類較大尺寸載體的簡化，可以採用此類方法，能夠滿足計算精度的要求。步驟114 :模型的ニ級簡化，最基本的原則是忽略收發天線對非直射方向，兩側結構因素的影響；對於大規模艦船平臺來說，上裝天線一般都不會位於平臺的邊緣；因而忽略天線兩側周邊結構的影響，可以在很大程度上較小實際計算模型尺寸，進而減少劃分的面片數目。步驟301 :即根據步驟104中輸入的針對該計算模型所需要仿真計算的天線對編號，在步驟204中生成的一級簡化模型文件中，提取該上裝天線對的具體位置。步驟302 :根據步驟301中所提取的該上裝天線對的具體位置，判斷此對天線位置關係。步驟303 :根據步驟302中的判斷結果，根據此對天線位置關係自動剔除對此天線耦合度影響很小面片。步驟304 :根據步驟303中的剔除非相關面片後的簡化結果，生成ニ級簡化模型。步驟115 :獲得步驟104設置的求解天線對以及求解頻率，對步驟304中生成的ニ級簡化模型進行網格劃分。 步驟116 :獲得ニ級簡化模型網格劃分後的面片數。步驟117 :將此面片數與實際矩量法所能計算的門限值進行比對，若在其能夠計算的閾值之內，進入步驟108調用矩量法進行計算；若網格劃分出的面片數大於矩量法計算的門限面片值，進入步驟118 :提示無法計算，退出。—般來講，電磁波在空間中的傳播有四種情況直射、反射、繞射和散射。這幾種傳播情況是在不同的傳播環境下產生的。Keller等人引入了繞射線的概念以解決邊緣繞射問題，並建立了一套全新計算繞射場的方法--幾何繞射理論(GTD)，即繞射場是沿繞射射線傳播的，這種射線的軌跡由費馬原理確定，繞射射線所形成的圓錐面稱為Keller錐，當入射線與邊緣垂直吋，圓錐面退化為與邊緣垂直的圓盤；繞射場只取決於入射場和繞射體表面的局部性質(稱為局部定理)，由此可把入射場和繞射場通過繞射係數聯繫起來；離開繞射點後，繞射線仍遵守幾何光學原理。因而對於電大尺寸載體，可設想在整個載體的邊緣上可以建立多個小的Keller錐，在計算中只須計及那些朝向觀察點方向的Keller錐邊緣，並將到達觀察點的射線場進行疊加即可，而忽略其他邊緣射線的影響。如圖8所示某電大尺寸的載體上，往往上裝有許多架各種形式的天線(取其中一對天線為例)。並且在發射天線與接收天線之間有邊緣光滑且不規則的阻擋物體，該物體的尺寸與電磁波波長接近，電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去。一般情況下，絕大部分電大尺寸載體表面均滿足Rayleigh標準，可視為電磁平坦。因此，由於電大尺寸載體表面粗糙而引起的電磁散射作用與直射波相比十分微弱，可忽略不計。圖8畫出了發射天線發出的電磁波射線在載體各邊緣的繞射場，其繞射面為Keller錐。電磁波的繞射能力與電波的波長有關，波長越長，繞射能力越強。在電大尺寸的系統中，幾何尺寸突變處主要為載體邊緣，即繞射場主要在載體邊緣。根據幾何繞射理論，天線在載體上的繞射場是沿繞射射線傳播的，而繞射軌跡遵循費馬原理，一條入射線將激起無窮多的繞射射線，他們都位於ー個Keller錐面上，圓錐的半頂角就等於入射線與邊緣切線的夾角。接收天線接收的載體繞射場的計算公式為E=-D ——^-e-Jkis^s1)
S1 \S2(S1+S2)
式中S1為入射線到繞射點的距離，S2為接收點到繞射點的距離，D為繞射係數。對於電大尺寸的系統，一般S1和S2可達十幾米甚至幾十米，因此，繞射場強非常小，而且到達接收天線的射線只是Keller錐面上射線的一部分，相比於直射波，載體繞射場的影響幾乎可以忽略不計。基於上述理論，在實際中運用矩量法(MOM)計算電大尺寸載體系統天線間耦合度吋，為了節省內存和減少計算時間，往往只考慮以兩個天線為邊緣的包括中間部分載體的影響。這樣處理對最終結果的精準度影響不大，相關的仿真結果也證實了這一點。以FEKO仿真為例，來說明此模型簡化方法的正確性，以ー個20m*5m*3m平臺為例，其上裝有2個天線，天線長度均為3m，考慮其中天線對之間的耦合度，圖9所示為電大尺寸模型的一級簡化模型原始圖，圖10為電大尺寸模型的一級簡化模型耦合度計算結果表示圖。忽略天線兩側因素的影響，圖11為電大尺寸模型的ニ級簡化模型圖，圖12為此ニ級簡化模型的耦合度計算結果表示圖。 將圖10和圖12進行比對，即電大尺寸模型的一級簡化模型和ニ級簡化模型的耦合度仿真結果，進行比較，兩者誤差很小。對於此類較大尺寸載體的簡化，可以採用此類方法，顯然能夠滿足計算精度的要求。步驟3對最終簡化的模型進行仿真計算根據簡化後的實際模型，進行網格劃分，調用矩量法，進行進ー步仿真計算，輸出最終結果。
權利要求
1.面向矩量法計算的電大尺寸載體分區計算方法，其特徵是 至少包括 步驟101:根據該電大尺寸載體的實際模型，將其分為多個區域，對每個単獨的區域進行建模；根據天線的位置坐標以及天線的實際長度進行天線的建模； 步驟102 :將步驟101所建的模型進行組合為ー個単元模型； 步驟103 :將所有建立好的每個區域的結構，將其進行組件；若兩個區域有共同的部分，將其自動識別並剔除，最後形成一個整體模型； 步驟104 :設置整體模型所需要仿真計算的天線對編號，求解頻率； 步驟105 :對整體模型的自動網格劃分； 步驟106 :獲得網格劃分後的面片數； 步驟107 :將網格劃分後的面片數與實際矩量法所能計算的門限值進行比對，若在其能夠計算的閾值之內，進入步驟108 ;若網格劃分出的面片數大於矩量法計算的門限面片值，進入步驟110 ； 步驟108，調用矩量法進行計算； 步驟109，輸出； 步驟110 :模型的ー級簡化； 步驟111 :調用步驟104所設置的求解天線對以及求解頻率，再次對此模型進行網格劃分； 步驟112 :獲得ー級簡化模型網格劃分後的面片數； 步驟113 :與實際矩量法所能計算的門限值進行比對，若在其能夠計算的閾值之內，返回步驟108 ;若網格劃分出的面片數大於矩量法計算的門限面片值，自動進行步驟114 ；步驟114 :模型的ニ級簡化； 步驟115 :獲得步驟104設置的求解天線對以及求解頻率，再次對此模型進行網格劃分； 步驟116 :獲得ニ級簡化模型網格劃分後的面片數； 步驟117 :與實際矩量法所能計算的門限值進行比對，若在其能夠計算的閾值之內，返回步驟108 ;若網格劃分出的面片數大於矩量法計算的門限面片值，進入步驟118 ； 步驟118:提示無法計算，退出。
2.根據權利要求I所述的面向矩量法計算的電大尺寸載體分區計算方法，其特徵是所述的步驟101 :根據電大尺寸載體的實際模型，將其分為多個區域，對每個単獨的區域進行建摸；根據天線的位置坐標以及天線的實際長度進行天線的建模時，是通過三角形面片、四邊形面片進行組件建摸；通過三角形面片、四邊形面片進行組件建模時遵循「右手法則」。
3.根據權利要求2所述的面向矩量法計算的電大尺寸載體分區計算方法，其特徵是所述的三角形面片、四邊形面片進行組件建模時，三角形面片、四邊形面片接合處沒有縫隙。
4.根據權利要求I所述的面向矩量法計算的電大尺寸載體分區計算方法，其特徵是所述的步驟110 :模型的ー級簡化，包括步驟 步驟201，根據步驟104中輸入的針對該計算模型所需要仿真計算的天線對編號，在上述總體模型文件中，提取該上裝天線對的具體位置；步驟202 :根據步驟201中所提取的該上裝天線對的具體位置，判斷該計算模型中所有面片與此天線對固定端是否在同一面及相關面； 步驟203，根據步驟202中的判斷結果，剔除與該天線位置非相關的所有面片； 步驟204，根據步驟203中的剔除非相關面片後的簡化結果，生成一級簡化模型。
5.根據權利要求I所述的面向矩量法計算的電大尺寸載體分區計算方法，其特徵是所述的步驟114，模型的ニ級簡化，包括步驟 步驟301，即根據步驟104中輸入的針對該計算模型所需要仿真計算的天線對編號，在步驟204中生成的一級簡化模型文件中，提取該上裝天線對的具體位置； 步驟302，根據步驟301中所提取的該上裝天線對的具體位置，判斷此對天線位置關係; 步驟303，根據步驟302中的判斷結果，根據此對天線位置關係自動剔除對此天線耦合度影響很小面片； 步驟304，根據步驟303中的剔除非相關面片後的簡化結果，生成ニ級簡化模型。
全文摘要
本發明屬於電大尺寸目標電磁計算應用範疇，特別涉及一種面向矩量法計算的電大尺寸載體分區計算方法，適用於電大尺寸系統電磁兼容問題的仿真計算。本發明依據通信平臺上實際設備布局情況，對實際的載體模型進行簡化，通過多級模型簡化算法，在滿足實際計算要求的基礎之上，實現最大可能保持模型的整體形狀和尺寸；根據電波傳播理論，以及關切實際天線間耦合度相關的模型局部因素，如保留收發天線對之間表面局部因素的影響，對模型進行簡化，以此儘量滿足仿真精度，實現計算時間與計算精度的雙重要求。
文檔編號G06F17/50GK102708235SQ20121012609
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月26日 優先權日2012年4月26日
發明者潘銳堅, 田錦, 許社教, 邱揚, 黃嘉 申請人:西安電子科技大學