CN109214021B - 一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法 - Google Patents

一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，先在全局坐标系下建立口面，再在依附于口面的局部坐标系下确定口面的电流密度分布，将口面在全局坐标系和局部坐标系下分别旋转，根据旋转角度计算旋转矩阵，通过旋转矩阵确定全局坐标系和局部坐标系下的点集关联，进而确定口面的电流密度在全局坐标系下的表达方式，最后利用网格对空间进行离散处理来构造斜面激励源，该方法生成的斜面激励源可以实现口面向任意方向出射，通过构造斜面激励源有效的解决了在电磁仿真领域中各种斜面出射的问题，免去了让用户自己构造斜面激励源的繁琐过程，是天线罩仿真，飞机、舰船或车辆的电磁兼容问题以及微波暗室仿真的强有力工具。

Description

一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法
技术领域
本发明涉及电磁场仿真领域，具体涉及一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法。
背景技术
电磁场数值仿真计算是指采用数值计算方法在频域或时域求解Maxwell方程及其他衍生方程。随着计算机技术的飞速发展和电磁场计算方法的日趋成熟，电磁仿真具有越来越高的计算精度和运算速度，在产品研发过程中可代替部分实验，尤其是危险性实验，因此被广泛应用于手机通讯、电磁兼容、医疗诊断或导航等领域。在军事方面，电磁仿真在雷达，天线罩，电磁对抗等领域也得到非常广泛的应用。电磁仿真现在已成为设备电磁特性分析与设计的现代化必要手段，具有巨大的实用价值。
时域有限差分法（FDTD）是应用非常广泛的一种国际主流电磁算法。FDTD属于时域算法，可一次计算多个频点的宽频问题，自然结合非线性谐波分析，自然结合导电体和电介质分析。由于FDTD计算量随网格增加是呈线性关系，单机即可解决10倍波长的大体系计算，同时FDTD具有天然的高并行效率，结合超算可处理超过1000倍波长体系的电磁计算，是最适合进行电大体系仿真的电磁算法。
在实际电磁应用中，经常会遇到天线阵口面倾斜放置的情况。例如在天线罩机扫情况下，雷达口面通过旋转不同的角度来实现朝不同方位的扫描，这在仿真过程中就要求提供倾斜的激励源口面以实现任意角度方向的出射。对于舰船雷达的整体仿真，由于舰船上雷达数量较多，且每个雷达的空间扫描范围都不一样，不同雷达之间呈一定角度放置，在仿真中这就需要提供多个斜面激励源以不同的角度和位置倾斜放置。对于微波暗室仿真，需要仿真天线阵在不同放置情况下的辐射特性，也需要斜面激励源；在电磁兼容领域，同样存在各种倾斜的激励源形式。目前FDTD软件中倾斜激励源还比较少，国外部分软件仅提供外部导入的斜口面，使用起来非常不方便。因此，构造一种FDTD下的斜口面激励方式对于实现各种复杂的电磁仿真起着尤为关键的作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，能够通过构造斜面激励源有效的解决了在电磁仿真领域中各种斜面出射的问题，免去了让用户自己构造斜面激励源的繁琐过程，是天线罩仿真，飞机、舰船或车辆的电磁兼容问题以及微波暗室仿真的强有力工具，用以解决现有技术导致的缺陷。
为解决上述技术问题本发明提供以下的技术方案：一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其中，包括以下步骤：
步骤1：在电磁仿真软件中建立全局坐标系，在该全局坐标系的中心位置建立预设形状大小的口面；
步骤2：在所述全局坐标系中的所述口面上创建局部坐标系，在该局域坐标系中设置该口面的电流密度分布表达方式；
步骤3：选取所述全局坐标系中的任意一个坐标轴作为第一旋转轴，将所述口面绕第一旋转轴旋转，再选取所述局部坐标系中的任意一个坐标轴作为第二旋转轴，然后将该口面绕第二旋转轴旋转完成该口面旋转，最后记录在所述全局坐标系和所述局部坐标系中的旋转角度；
步骤4：计算所述口面在所述旋转角度下的关联所述全局坐标系和所述局部坐标系的旋转矩阵，并通过该旋转矩阵计算出该口面上任意点在所述全局坐标系下和所述局部坐标系下的坐标对应关系，再通过该旋转矩阵计算出步骤2中电流密度分布对应在所述全局坐标系下的电流密度分布的表达方式；
步骤5：在该电磁仿真软件中，将该口面进行空间网格离散处理，并根据在所述全局坐标系下的电流密度分布表达方式生成电流分布表达方式，最终形成斜口面激励源。
上述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其中，所述口面的形状为圆形或矩形或三角形。
上述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其中，所述口面的形状为正多边形，所述正多边形的边数小于等于32。
上述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其中，所述口面的电流密度分布在所述局部坐标系下的表达方式由电流密度空间分布和电流密度时间分布两种方式组成。
上述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其中，所述口面的电流密度空间分布在所述局部坐标系下的表达方式是均匀分布、高斯分布、自定义函数分布或外部导入型分布中的任一种。
上述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其中，所述口面的电流密度时间分布在所述局部坐标系下的表达方式是余弦波函数、高斯脉冲函数、上升沿函数、下降沿函数、自定义函数或导入型中的任一种。
上述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其中，所述口面在所述全局坐标系下旋转角度的范围为0度到360度，包括0度和360度；所述口面在所述局部坐标系下旋转角度的范围为负180度到正180度，包括负180度和正180度。
上述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其中，所述网格离散处理是六面体网格离散处理。
上述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其中，所述网格离散处理是四面体网格离散处理。
依据上述本发明一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法提供的技术方案效果是：能够通过构造斜面激励源有效的解决了在电磁仿真领域中各种斜面出射的问题，免去了让用户自己构造斜面激励源的繁琐过程，是天线罩仿真，飞机、舰船或车辆的电磁兼容问题以及微波暗室仿真的强有力工具。
附图说明
图1为本发明一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法中在口面上建立局部坐标系的示意图；
图2 为本发明一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法中口面在全局坐标系与局部坐标系下的旋转示意图；
图3 为本发明一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法中利用网格离散处理生成斜面激励源在全局坐标系中的示意图；
图4为具体实施例中利用网格离散处理生成斜面激励源的示意图；
图5为具体实施例中利用网格离散中斜面激励源出射电磁波在XOY面的场分布；
图6为具体实施例中利用网格离散中斜面激励源出射电磁波在XOZ面的场分布；
图7为具体实施例中利用网格离散中斜面激励源出射电磁波在YOZ面的场分布。
具体实施方式
为了使发明实现的技术手段、创造特征、达成目的和功效易于明白了解，下结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明的第一实施例是提供一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，目的是通过构造斜面激励源有效的解决了在电磁仿真领域中各种斜面出射的问题，免去了让用户自己构造斜面激励源的繁琐过程，是天线罩仿真，飞机、舰船或车辆的电磁兼容问题以及微波暗室仿真的强有力工具。
一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在电磁仿真软件中建立全局坐标系，在该全局坐标系的中心位置建立预设形状大小的口面；
步骤2：在全局坐标系中的口面上创建局部坐标系，在该局域坐标系中设置该口面的电流密度分布表达方式；
步骤3：选取全局坐标系中的任意一个坐标轴作为第一旋转轴，将口面绕第一旋转轴旋转，再选取局部坐标系中的任意一个坐标轴作为第二旋转轴，然后将该口面绕第二旋转轴旋转完成该口面旋转，最后记录在全局坐标系和局部坐标系中的旋转角度；
步骤4：计算口面在旋转角度下的关联全局坐标系和局部坐标系的旋转矩阵，并通过该旋转矩阵计算出该口面上任意点在全局坐标系下和局部坐标系下的坐标对应关系，再通过该旋转矩阵计算出步骤2中电流密度分布对应在全局坐标系下的电流密度分布的表达方式；
步骤5：在该电磁仿真软件中，将该口面进行空间网格离散处理，并根据在全局坐标系下的电流密度分布表达方式生成电流分布表达方式，最终形成斜口面激励源。
本实施例提供的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法采用的口面的形状为圆形或矩形或三角形。
本实施例提供的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法采用的口面的形状为正多边形，正多边形的边数小于等于32。
本实施例提供的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法采用的口面的电流密度分布在局部坐标系下的表达方式由电流密度空间分布和电流密度时间分布两种方式组成。
本实施例提供的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法采用的口面的电流密度空间分布在局部坐标系下的表达方式是均匀分布、高斯分布、自定义函数分布或外部导入型分布中的任一种。
本实施例提供的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法采用的口面的电流密度时间分布在局部坐标系下的表达方式是余弦波函数、高斯脉冲函数、上升沿函数、下降沿函数、自定义函数或导入型中的任一种。
本实施例提供的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法采用的口面在全局坐标系下旋转角度的范围为0度到360度，包括0度和360度；口面在局部坐标系下旋转角度的范围为负180度到正180度，包括负180度和正180度。
本实施例提供的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法采用的网格离散处理是六面体网格离散处理。
本实施例提供的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法采用的网格离散处理是四面体网格离散处理。
通过本实施例提供的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法具体生成的步骤为：首先在电磁仿真软件中建立全局坐标系O-xyz，在该全局坐标系O-xyz的中心位置建立预设形状大小的口面，口面可以是任意形状，常用的是矩形、圆形或三角形三种类型；在口面上创建局部坐标系O´-x´y´z´，其中，z´轴垂直于口面，x´轴和y´轴平行于口面，局部坐标系的O´点，x´轴，y´轴，z´轴和全局坐标下的O点，x轴，y轴，z轴重合，如图1所示，确定口面的电流密度在局部坐标系下的分布，其表达式为；
其次，将口面绕全局坐标系z轴旋转角度φ，此时x´轴与x轴的夹角为φ，再将口面绕x´轴旋转角θ，如图2所示，此时z´轴和全局坐标系的z轴的夹角为θ，局部坐标系与全局坐标系的关系为旋转变换，坐标旋转变换矩阵为：
其中x轴与x´，y´，z´轴的夹角为α1，α2，α3，y轴与x´，y´，z´轴的夹角为β1，β2，β3，z轴与x´，y´，z´轴的夹角为γ1，γ2，γ3。根据口面的旋转角来确定旋转矩阵为：
通过旋转矩阵得到口面上任意一点的坐标在全局坐标系和局部坐标系的对应关系为：
其中（xn´，yn´，zn´）是口面第n个点在局部坐标下的坐标，该点在全局坐标系下的坐标是（xn，yn，zn）。
将矩阵转置，得到单位矢量的变换关系为：
根据电流密度在局部坐标系下的表达方式，得到电流密度在全局坐标系下的表达方式为：
最后利用FDTD网格生成斜面激励源，即当电流密度在全局坐标系生成后，用六面体网格对空间进行离散，当有网格包围含电流密度的点时，穿过某一网格面的电流为或者或者，其中dx，dy，dz是网格面的边长，穿过某一个网格面的电流大小和方向即构造出来，斜面激励源生成，如图3。
下面结合附图与实例对本发明作进一步说明，通过以下步骤实现：
设置口面大小为100毫米*100毫米的矩形，在矩形中心建立局部坐标系O´-x´y´z´，电流密度在口面的分布为，其特征为均匀分布，极化方向为沿x´轴。沿x´轴和y´轴方向每隔1毫米取一个点，口面的取点数量总计为100*100=10000。
将口面沿Z轴转过45度，再将口面沿x´轴转过45度，此时旋转角θ=45度，φ=45度，求得旋转矩阵为：
通过Matlab软件建立局部坐标系和全局坐标系下的口面上点的对应集合的关系为：
确定电流密度在全局坐标系下的表达方式为：
采用边长为电磁波波长1/25的六面体网格对空间进行离散化处理，生成面分布的激励源如图4，采用FDTD算法对斜面激励源的空间辐射进行仿真，观察电磁波在空间的场分布，发现电磁波传播的方向为θ=45度，φ=45度，如图5-7，验证了本发明的构造方式是正确的。
综上，本发明的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，能够通过构造斜面激励源有效的解决了在电磁仿真领域中各种斜面出射的问题，免去了让用户自己构造斜面激励源的繁琐过程，是天线罩仿真，飞机、舰船或车辆的电磁兼容问题以及微波暗室仿真的强有力工具。
以上对发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的仿真过程和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改做出若干简单推演、变形或替换，这并不影响发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在电磁仿真软件中建立全局坐标系，在该全局坐标系的中心位置建立预设形状大小的口面；
步骤2：在所述全局坐标系中的所述口面上创建局部坐标系，在该局部坐标系中设置该口面的电流密度分布表达方式，所述口面的电流密度分布在所述局部坐标系下的表达方式由电流密度空间分布和电流密度时间分布两种方式组成；
步骤3：选取所述全局坐标系中的任意一个坐标轴作为第一旋转轴，将所述口面绕第一旋转轴旋转，再选取所述局部坐标系中的任意一个坐标轴作为第二旋转轴，然后将该口面绕第二旋转轴旋转完成该口面旋转，最后记录在所述全局坐标系和所述局部坐标系中的旋转角度；
步骤4：计算所述口面在所述旋转角度下的关联所述全局坐标系和所述局部坐标系的旋转矩阵，并通过该旋转矩阵计算出该口面上任意点在所述全局坐标系下和所述局部坐标系下的坐标对应关系，再通过该旋转矩阵计算出步骤2中电流密度分布对应在所述全局坐标系下的电流密度分布的表达方式；
步骤5：在该电磁仿真软件中，将该口面进行空间网格离散处理，并根据在所述全局坐标系下的电流密度分布表达方式生成电流分布表达方式，最终形成斜口面激励源。
2.如权利要求1所述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其特征在于，所述口面的形状为圆形或矩形或三角形。
3.如权利要求1所述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其特征在于，所述口面的形状为正多边形，所述正多边形的边数小于等于32。
4.如权利要求1所述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其特征在于，所述口面的电流密度空间分布在所述局部坐标系下的表达方式是均匀分布、高斯分布、自定义函数分布或外部导入型分布中的任一种。
5.如权利要求1所述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其特征在于，所述口面的电流密度时间分布在所述局部坐标系下的表达方式是余弦波函数、高斯脉冲函数、上升沿函数、下降沿函数、自定义函数或导入型中的任一种。
6.如权利要求1所述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其特征在于，所述口面在所述全局坐标系下旋转角度的范围为0度到360度，包括0度和360度；所述口面在所述局部坐标系下旋转角度的范围为负180度到正180度，包括负180度和正180度。
7.如权利要求1所述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其特征在于，所述网格离散处理是六面体网格离散处理。
8.如权利要求1所述的一种电磁仿真中斜口面激励源的生成方法，其特征在于，所述网格离散处理是四面体网格离散处理。
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