CN102708235B - 面向矩量法计算的电大尺寸载体分区计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电大尺寸目标电磁计算应用范畴，特别设计一种面向矩量法计算的电大尺寸载体分区计算方法，适用于电大尺寸系统电磁兼容问题的仿真计算。本发明依据通信平台上实际设备布局情况，对实际的载体模型进行简化，通过多级模型简化算法，在满足实际计算要求的基础之上，实现最大可能保持模型的整体形状和尺寸；根据电波传播理论，以及关切实际天线间耦合度相关的模型局部因素，如保留收发天线对之间表面局部因素的影响，对模型进行简化，以此尽量满足仿真精度，实现计算时间与计算精度的双重要求。
Description
技术领域
本发明属于电大尺寸目标电磁计算应用范畴，特别设计一种面向矩量法计算的电大尺寸载体分区计算方法，适用于电大尺寸系统电磁兼容问题的仿真计算。
背景技术
对于现代移动通信平台，如车载平台、舰载平台以及机载平台来说，由于其整体结构较大，上装设备繁多复杂，且频段接近，这样相互间干扰非常严重。
由于此类系统电磁兼容问题比较严酷，因而在设计系统时需要对此系统进行详细的电磁兼容仿真，来获得系统的电磁兼容特性，进而指导实际的系统电磁兼容设计，使系统上装的所有设备能够进行合理的布局，满足电磁兼容要求。常用传统的矩量法对此类大规模的系统完整模型进行仿真计算，无法实现。
发明内容
本发明的目的是针对电大尺寸目标存在的电磁兼容仿真计算问题，提供一种面向矩量法计算的电大尺寸载体分区计算方法，为大规模尺寸目标的仿真计算提供依据。实现对电大尺寸目标电磁兼容问题的仿真计算。
本发明的目的是这样实现的，面向矩量法计算的电大尺寸载体分区计算方法，其特征是：
至少包括：
步骤101：根据该电大尺寸载体的实际模型，将其分为多个区域，对每个单独的区域进行建模；根据天线的位置坐标以及天线的实际长度进行天线的建模；
步骤102：将步骤101所建的模型进行组合为一个单元模型；
步骤103：将所有建立好的每个区域的结构，将其进行组件；若两个区域有共同的部分，将其自动识别并剔除，最后形成一个整体模型；
步骤104：设置整体模型所需要仿真计算的天线对编号，求解频率；
步骤105：对整体模型的自动网格划分；
步骤106：获得网格划分后的面片数；
步骤107：将网格划分后的面片数与实际矩量法所能计算的门限值进行比对，若在其能够计算的阈值之内，进入步骤108；若网格划分出的面片数大于矩量法计算的门限面片值，进入步骤110；
步骤108，调用矩量法进行计算；
步骤109，输出；
步骤110：模型的一级简化；
步骤111：调用步骤104所设置的求解天线对以及求解频率，再次对此模型进行网格划分；
步骤112：获得一级简化模型网格划分后的面片数；
步骤113：与实际矩量法所能计算的门限值进行比对，若在其能够计算的阈值之内，返回步骤108；若网格划分出的面片数大于矩量法计算的门限面片值，自动进行步骤114；
步骤114：模型的二级简化；
步骤115：获得步骤104设置的求解天线对以及求解频率，再次对此模型进行网格划分；
步骤116：获得二级简化模型网格划分后的面片数；
步骤117：与实际矩量法所能计算的门限值进行比对，若在其能够计算的阈值之内，返回步骤108；若网格划分出的面片数大于矩量法计算的门限面片值，进入步骤118；
步骤118：提示无法计算，退出。
所述的步骤101：根据电大尺寸载体的实际模型，将其分为多个区域，对每个单独的区域进行建模；根据天线的位置坐标以及天线的实际长度进行天线的建模时，是通过三角形面片、四边形面片进行组件建模；通过三角形面片、四边形面片进行组件建模时遵循“右手法则”。
所述的三角形面片、四边形面片进行组件建模时，三角形面片、四边形面片接合处没有缝隙。
所述的步骤110：模型的一级简化，包括步骤：
步骤201，根据步骤104中输入的针对该计算模型所需要仿真计算的天线对编号，在上述总体模型文件中，提取该上装天线对的具体位置；
步骤202：根据步骤201中所提取的该上装天线对的具体位置，判断该计算模型中所有面片与此天线对固定端是否在同一面及相关面；
步骤203，根据步骤202中的判断结果，剔除与该天线位置非相关的所有面片；
步骤204，根据步骤203中的剔除非相关面片后的简化结果，生成一级简化模型。
所述的步骤114，模型的二级简化，包括步骤：
步骤301，即根据步骤104中输入的针对该计算模型所需要仿真计算的天线对编号，在步骤204中生成的一级简化模型文件中，提取该上装天线对的具体位置；
步骤302，根据步骤301中所提取的该上装天线对的具体位置，判断此对天线位置关系；
步骤303，根据步骤302中的判断结果，根据此对天线位置关系自动剔除对此天线耦合度影响很小面片；
步骤304，根据步骤303中的剔除非相关面片后的简化结果，生成二级简化模型。
本发明依据通信平台上实际设备布局情况，对实际的载体模型进行简化，通过多级模型简化算法，在满足实际计算要求的基础之上，实现最大可能保持模型的整体形状和尺寸；根据电波传播理论，以及关切实际天线间耦合度相关的模型局部因素，如保留收发天线对之间表面局部因素的影响，对模型进行简化，以此尽量满足仿真精度，实现计算时间与计算精度的双重要求。
附图说明
图1本发明的总体仿真流程图；
图2是本发明的一级简化模型流程图；
图3是本发明的二级简化模型流程图；
图4是电小尺寸模型原始图；
图5是电小尺寸原始模型耦合度计算结果表示图；
图6是电小尺寸模型原始图的一级简化模型图；
图7是电小尺寸模型的一级简化模型耦合度计算结果表示图；
图8是电大尺寸载体示意图；
图9是电大尺寸模型的一级简化模型原始图；
图10是电大尺寸模型的一级简化模型耦合度计算结果表示图；
图11是电大尺寸模型的二级简化模型图；
图12是电大尺寸模型的二级简化模型耦合度计算结果表示图。
具体实施方式
电大尺寸载体分区计算方法技术主要包含上装平台及天线分区域建模、模型自动分区域简化、电磁仿真计算三个部分。电大尺寸载体分区计算方法技术对于电大尺寸目标的计算实现模型的分级简化，以满足在现今计算机硬件条件的基础上，实现计算精度和计算时间的共同满足。
以下结合附图对本发明--面向矩量法计算的电大尺寸载体分区计算方法作进一步详细描述：
参照图1、图2、图3，本发明——面向矩量法计算的电大尺寸载体分区计算方法包括如下步骤：
步骤1对电大尺寸载体进行分区域建模以及模型的组建
首先，根据电大尺寸平台的形状尺寸以及天线上装位置，对此类模型进行分区域建模。
其具体建模步骤如下：
步骤101：由于电大尺寸载体结构尺寸很大，在实际建立该模型时，对此进行分区域建模。即首先根据该电大尺寸载体的实际模型，将其分为多个区域，对每个单独的区域进行建模；进行天线建模时，根据天线的位置坐标以及天线的实际长度进行天线的建模。
在对此模型进行分区域建模时，需要遵循以下几个原则：
1)该模型为三角形面片、四边形面片进行组件而成；进行三角形面片，四边形面片建立时应遵循“右手法则”，即“外法矢朝外”原则；
2)所建的三角形、四边形面片接合处，不能够有缝隙；
步骤102：进行电大尺寸载体单元模型的组建，即将上述所建的区域模型和其对应的天线进行组合为一个单元模型；
步骤103：将所有建立好的单元模型进行组件；组建时，软件内部自动实现“共面识别消除”，即若两个区域有共同的部分，将其自动识别并剔除，最后形成一个整体模型。
步骤2对所建模型进行多级简化
步骤104：设置针对该计算模型所需要仿真计算的天线对编号，以及求解频率。
步骤105：通过面片剖分技术实现对此模型的自动网格划分。
步骤106：获得网格划分后的面片数；
步骤107：根据获得的该面片数进行计算能力预估，即将网格划分后的面片数与实际矩量法所能计算的门限值进行比对，若在其能够计算的阈值之内，进入步骤108调用矩量法进行计算；若网格划分出的面片数大于矩量法计算的门限面片值，自动进行模型的一级简化。
其计算具体步骤如下：
步骤110：即模型的一级简化，最基本的原则是忽略上装平台非上装面因素的影响；对于电大尺寸平台，如车载、舰载来说，其上装天线系统一般都位于其上部；对于机载上装平台来说，其工作于同频段、邻频段或谐波频段的天线对都工作于机载平台的同一面。对于此类系统来说其内部电磁兼容问题，主要关注的影响因素为天线间耦合度。
步骤201：即根据步骤104中输入的针对该计算模型所需要仿真计算的天线对编号，在上述总体模型文件中，提取该上装天线对的具体位置。
步骤202：根据步骤201中所提取的该上装天线对的具体位置，判断该计算模型中所有面片与此天线对固定端是否在同一面及相关面。
步骤203：根据步骤202中的判断结果，剔除与该天线位置非相关的所有面片。
步骤204：根据步骤203中的剔除非相关面片后的简化结果，生成一级简化模型。
步骤111：调用步骤104所设置的求解天线对以及求解频率，再次对步骤204生成的一级简化模型进行网格划分。
步骤112：获得一级简化模型网格划分后的面片数。
步骤113：若此面片数与实际矩量法所能计算的门限值进行比对，若在其能够计算的阈值之内，进入步骤108调用矩量法进行计算；若网格划分出的面片数大于矩量法计算的门限面片值，自动进行模型的二级简化。
其中天线间耦合度最主要影响因素为天线所在平台的尺寸、形状、位置关系、以及收发天线对之间的模型因素的影响等，而上装天线背面区域对其影响很小故可以忽略。
以FEKO仿真为例，以一个电小尺寸模型的计算精度来说明此模型简化方法的正确性，以一个5m*5m*3m平台为例，如图4所示为电小尺寸模型原始图，其上装有2个天线，天线长度均为3m，考虑其中天线对之间的耦合度，图5为电小尺寸原始模型耦合度计算结果表示图，即为此模型上装天线对在30MHz～88MHz频段上均分十个频点时，每个点的耦合度计算值。
以此平台为例将此模型进行简化，图6所示为该电小尺寸模型的一级简化模型图，忽略模型底部构成对其实际耦合度的影响，其上装天线的长度及位置参数与原始模型相同，考虑其中天线对之间的耦合度，图7所示为该电小尺寸模型的一级简化模型耦合度计算结果图，即模型上装天线对在30MHz～88MHz频段上均分十个频点时，每个点的耦合度计算值。
将图5和图7进行比对，即电小尺寸原始模型和一级简化模型的耦合度仿真结果，进行比较，两者误差很小，对于此类较大尺寸载体的简化，可以采用此类方法，能够满足计算精度的要求。
步骤114：模型的二级简化，最基本的原则是忽略收发天线对非直射方向，两侧结构因素的影响；对于大规模舰船平台来说，上装天线一般都不会位于平台的边缘；因而忽略天线两侧周边结构的影响，可以在很大程度上较小实际计算模型尺寸，进而减少划分的面片数目。
步骤301：即根据步骤104中输入的针对该计算模型所需要仿真计算的天线对编号，在步骤204中生成的一级简化模型文件中，提取该上装天线对的具体位置。
步骤302：根据步骤301中所提取的该上装天线对的具体位置，判断此对天线位置关系。
步骤303：根据步骤302中的判断结果，根据此对天线位置关系自动剔除对此天线耦合度影响很小面片。
步骤304：根据步骤303中的剔除非相关面片后的简化结果，生成二级简化模型。
步骤115：获得步骤104设置的求解天线对以及求解频率，对步骤304中生成的二级简化模型进行网格划分。
步骤116：获得二级简化模型网格划分后的面片数。
步骤117：将此面片数与实际矩量法所能计算的门限值进行比对，若在其能够计算的阈值之内，进入步骤108调用矩量法进行计算；若网格划分出的面片数大于矩量法计算的门限面片值，进入步骤118：提示无法计算，退出。
一般来讲，电磁波在空间中的传播有四种情况：直射、反射、绕射和散射。这几种传播情况是在不同的传播环境下产生的。
Keller等人引入了绕射线的概念以解决边缘绕射问题，并建立了一套全新计算绕射场的方法--几何绕射理论(GTD)，即：绕射场是沿绕射射线传播的，这种射线的轨迹由费马原理确定，绕射射线所形成的圆锥面称为Keller锥，当入射线与边缘垂直时，圆锥面退化为与边缘垂直的圆盘；绕射场只取决于入射场和绕射体表面的局部性质(称为局部定理)，由此可把入射场和绕射场通过绕射系数联系起来；离开绕射点后，绕射线仍遵守几何光学原理。因而对于电大尺寸载体，可设想在整个载体的边缘上可以建立多个小的Keller锥，在计算中只须计及那些朝向观察点方向的Keller锥边缘，并将到达观察点的射线场进行叠加即可，而忽略其他边缘射线的影响。
如图8所示某电大尺寸的载体上，往往上装有许多架各种形式的天线(取其中一对天线为例)。并且在发射天线与接收天线之间有边缘光滑且不规则的阻挡物体，该物体的尺寸与电磁波波长接近，电磁波可以从该物体的边缘绕射过去。
一般情况下，绝大部分电大尺寸载体表面均满足Rayleigh标准，可视为电磁平坦。因此，由于电大尺寸载体表面粗糙而引起的电磁散射作用与直射波相比十分微弱，可忽略不计。
图8画出了发射天线发出的电磁波射线在载体各边缘的绕射场，其绕射面为Keller锥。电磁波的绕射能力与电波的波长有关，波长越长，绕射能力越强。
在电大尺寸的系统中，几何尺寸突变处主要为载体边缘，即绕射场主要在载体边缘。根据几何绕射理论，天线在载体上的绕射场是沿绕射射线传播的，而绕射轨迹遵循费马原理，一条入射线将激起无穷多的绕射射线，他们都位于一个Keller锥面上，圆锥的半顶角就等于入射线与边缘切线的夹角。接收天线接收的载体绕射场的计算公式为：
式中S1为入射线到绕射点的距离，S2为接收点到绕射点的距离，D为绕射系数。
对于电大尺寸的系统，一般S1和S2可达十几米甚至几十米，因此，绕射场强非常小，而且到达接收天线的射线只是Keller锥面上射线的一部分，相比于直射波，载体绕射场的影响几乎可以忽略不计。
基于上述理论，在实际中运用矩量法(MOM)计算电大尺寸载体系统天线间耦合度时，为了节省内存和减少计算时间，往往只考虑以两个天线为边缘的包括中间部分载体的影响。这样处理对最终结果的精准度影响不大，相关的仿真结果也证实了这一点。
以FEKO仿真为例，来说明此模型简化方法的正确性，以一个20m*5m*3m平台为例，其上装有2个天线，天线长度均为3m，考虑其中天线对之间的耦合度，图9所示为电大尺寸模型的一级简化模型原始图，图10为电大尺寸模型的一级简化模型耦合度计算结果表示图。忽略天线两侧因素的影响，图11为电大尺寸模型的二级简化模型图，图12为此二级简化模型的耦合度计算结果表示图。
将图10和图12进行比对，即电大尺寸模型的一级简化模型和二级简化模型的耦合度仿真结果，进行比较，两者误差很小。对于此类较大尺寸载体的简化，可以采用此类方法，显然能够满足计算精度的要求。
步骤3对最终简化的模型进行仿真计算
根据简化后的实际模型，进行网格划分，调用矩量法，进行进一步仿真计算，输出最终结果。
Claims (3)
1.面向矩量法计算的电大尺寸载体分区计算方法，其特征是：
至少包括：
步骤101：根据该电大尺寸载体的实际模型，将其分为多个区域，对每个单独的区域进行建模；根据天线的位置坐标以及天线的实际长度进行天线的建模；
步骤102：将步骤101所建的模型进行组合为一个单元模型；
步骤103：将所有建立好的每个区域的结构，将其进行组建；若两个区域有共同的部分，将其自动识别并剔除，最后形成一个整体模型；
步骤104：设置整体模型所需要仿真计算的天线对编号，求解频率；
步骤105：对整体模型的自动网格划分；
步骤106：获得网格划分后的面片数；
步骤107：将网格划分后的面片数与实际矩量法所能计算的门限值进行比对，若在其能够计算的阈值之内，进入步骤108；若网格划分出的面片数大于矩量法计算的门限面片值，进入步骤110；
步骤108：调用矩量法进行计算；
步骤109：输出；
步骤110：模型的一级简化；
步骤111：调用步骤104所设置的求解天线对以及求解频率，再次对整体模型进行网格划分；
步骤112：获得一级简化模型网格划分后的面片数；
步骤113：与实际矩量法所能计算的门限值进行比对，若在其能够计算的阈值之内，返回步骤108；若网格划分出的面片数大于矩量法计算的门限面片值，自动进行步骤114；
步骤114：模型的二级简化；
步骤115：获得步骤104设置的求解天线对以及求解频率，再次对整体模型进行网格划分；
步骤116：获得二级简化模型网格划分后的面片数；
步骤117：与实际矩量法所能计算的门限值进行比对，若在其能够计算的阈值之内，返回步骤108；若网格划分出的面片数大于矩量法计算的门限面片值，进入步骤118；
步骤118：提示无法计算，退出。
2.根据权利要求1所述的面向矩量法计算的电大尺寸载体分区计算方法，其特征是：所述的步骤101：根据电大尺寸载体的实际模型，将其分为多个区域，对每个单独的区域进行建模；根据天线的位置坐标以及天线的实际长度进行天线的建模时，是通过三角形面片、四边形面片进行组件建模；通过三角形面片、四边形面片进行组件建模时遵循“右手法则”。
3.根据权利要求2所述的面向矩量法计算的电大尺寸载体分区计算方法，其特征是：所述的三角形面片、四边形面片进行组件建模时，三角形面片、四边形面片接合处没有缝隙。
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