一种多算法结合的电磁仿真方法与流程

1.本技术涉及电磁仿真技术领域，具体涉及一种多算法结合的电磁仿真方法。


背景技术：

2.由数学的基本理论可以知道，当在求解微分方程、积分方程以及其他各种泛函方程的数学问题时，方程的解一般分为两种情况：解析解和近似解。当问题的边界不复杂时，可以使用解析法得到很精确的解，即解析解。但是在实际的自然科学和工程研究过程中，遇到的常常是边值比较复杂的问题，而这些问题一般很难用解析方法进行解答。随着数学理论的不断发展和工程实际的迫切需要，人们研究出在一定的误差范围内可以用近似解来代替解析解，并发明了各种数值仿真算法来求解边值复杂问题的近似解。在计算机出现之前，因为数值算法中的未知量太多，计算量过大，应用数值仿真算法求解也并非易事，但随着计算机领域的飞速发展，解决了计算量大的难题，数值仿真算法也有了快速的发展，更多的算法被发明出来，它们已经被广泛的应用于各个领域。
3.计算电磁学主要研究的方法是电磁数值仿真算法，它主要分为两个大类：全波算法(精确算法)和高频算法(近似算法)。全波算法是指直接求解麦克斯韦积分或微分方程，全波算法又分为时域全波算法和频域全波算法，在商业电磁仿真软件中场区和源区均需要划分网格。高频算法是基于格林函数，这种算法仅有频域，这是因为滞后位计算过于繁琐，这种算法在商业电磁仿真软件中仅源区需要划分网格。所有电磁仿真算法的仿真速度和计算精度均与被仿真物体的电尺寸直接相关，离开电尺寸来谈论某个数值仿真算法或者更狭隘地讲某个软件的仿真速度和计算精度均是毫无意义的。一般来说在给定硬件资源条件限制下，全波算法有其能够仿真的最大电尺寸限制，而高频算法则有其最小电尺寸限制。
4.常用的全波算法有时域有限差分法(finite difference time domain,fdtd)、时域有限积分法(finite integration time domain,fitd)、传输线矩阵(transmission line matrix,tlm)、有限元法(finite element method,fem)、矩量法(method of moment,mom)和多层快速多级子(multi level fast multipole method,mlfmm)等。现用的高频计算方法基于green函数，一般来说常见的电磁数值算法有有几何光学法(geometrical optics,go)、物理光学法(physical optics,po)、几何绕射理论(geometric theory of diffraction,gtd)、物理绕射理论(physical theory of diffraction,ptd)、等效电磁流法(method of equivalent currents,mec)、高斯波束法(gaussian beam,gb)和一致性几何绕射理论(uniform geometrical theory of diffraction,utd)等。
5.传统电磁算法针对经典电磁问题有着固定的求解方法，但在实际工程应用中，由于工程项目研发设计周期、仿真求解时长和仿真求解结果精度等因素的严重制约，普通电磁算法解算时间长,且需要较多的硬件资源，所以难以解决复杂飞行器电磁计算问题。


技术实现要素：

6.针对飞机计算电磁学中，仿真计算时间与仿真结果精度二者难以平衡，本技术提
出一种在飞机进行电磁仿真前，利用天线工作频段与机身平台特性，针对不同电尺寸问题，对不同电磁算法的适用性与误差进行预分类，从而达到一种能够快速解决电磁计算问题的效果。
7.本技术提供了一种多算法结合的电磁仿真方法，主要包括：
8.步骤s1、将电磁平台电尺寸按从小到大依次分为电小尺寸、电中尺寸、电大尺寸和超电大尺寸；
9.步骤s2、对电小尺寸的电磁平台，通过在喇叭天线正面辐照一个矩形金属实体进行电磁仿真，对电中尺寸、电大尺寸和超电大尺寸的电磁平台，依次采用更大尺寸的矩形金属平板进行电磁仿真；
10.步骤s3、通过仿真分析分别确定对电小尺寸、电中尺寸、电大尺寸和超电大尺寸的速度优先的适用算法、精度优先的适用算法、误差最小的适用算法；
11.步骤s4、根据飞机设计的项目周期、误差要求确定选用的电磁仿真算法。
12.优选的是，步骤s1中，电小尺寸为30λ～50λ，电中尺寸为50λ～100λ，电大尺寸为100λ～200λ，超电大尺寸为200λ以上。
13.优选的是，步骤s2中，对电小尺寸的电磁平台，设置喇叭天线正面辐照一个矩形金属实体，天线中心频率设计为9ghz，矩形金属实体距离喇叭天线口面100mm，金属实体外形尺寸为n1*n1*50mm，其中，n1为60
‑
100mm。
14.优选的是，步骤s2中，对电中尺寸的电磁平台，设置金属平板距离喇叭天线口面100mm，金属平板外形尺寸为n2*n2，其中，n2为500～800mm。
15.优选的是，步骤s2中，对电大尺寸的电磁平台，设置金属平板距离喇叭天线口面100mm，金属平板外形尺寸为n3*n3，其中，n3为4000～6000mm。
16.优选的是，步骤s2中，对超电大尺寸的电磁平台，设置金属平板距离喇叭天线口面100mm，金属平板外形尺寸为n4*n4，其中，n4为11000～15000mm。
17.优选的是，步骤s3中，对电中尺寸，速度优先的适用算法为mlfmm算法及fem算法，精度优先的适用算法为fitd算法。
18.优选的是，步骤s3中，对电大尺寸，速度优先的适用算法为近场源mlfmm算法及远场源mlfmm算法，精度优先的适用算法为fitd算法。
19.优选的是，步骤s3中，对超电大尺寸，速度优先的适用算法为sbr算法，精度优先的适用算法为fitd算法。
20.优选的是，步骤s3中，对电小尺寸，精度优先的适用算法为fitd算法及mom算法。
21.本技术能够在进行飞机电磁计算前，对飞机平台使用合适的电磁算法，以及给出各算法带来的误差评估，根据本专利内容提出的合适的电磁算法的选择能够缩短整体飞机设计的项目周期，并提升飞机设计的效率。
附图说明
22.图1是本技术多算法结合的电磁仿真方法的流程图。
23.图2是本技术的不同算法计算的s参数示意图。
24.图3是本技术的不同算法计算的天线方向图示意图。
具体实施方式
25.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施方式进行详细说明。
26.本技术提供了一种多算法结合的电磁仿真方法，如图1所示，主要包括：
27.步骤s1、将电磁平台电尺寸按从小到大依次分为电小尺寸、电中尺寸、电大尺寸和超电大尺寸；
28.步骤s2、对电小尺寸的电磁平台，通过在喇叭天线正面辐照一个矩形金属实体进行电磁仿真，对电中尺寸、电大尺寸和超电大尺寸的电磁平台，依次采用更大尺寸的矩形金属平板进行电磁仿真；
29.步骤s3、通过仿真分析分别确定对电小尺寸、电中尺寸、电大尺寸和超电大尺寸的速度优先的适用算法、精度优先的适用算法、误差最小的适用算法；
30.步骤s4、根据飞机设计的项目周期、误差要求确定选用的电磁仿真算法。
31.以下详细说明。
32.根据机载天线的工作频段与整机物理尺寸，计算出电磁平台电尺寸(飞机尺寸/波长)。典型平台的电尺寸分成电小尺寸(30λ～50λ)电磁问题、电中尺寸电磁问题(50λ～100λ)、电大尺寸电磁问题(100λ～200λ)和超电大尺寸电磁问题(200λ以上)。
33.对于电小尺寸电磁问题，设置喇叭天线正面辐照一个矩形金属实体，天线中心频率设计为9ghz，矩形金属实体距离喇叭天线口面100mm，金属实体外形尺寸为n*n*50mm(n：60
‑
100mm)。该仿真工程符合电小电磁问题特征，电磁计算采用商业电磁仿真软件cst 2016，目的是查看不同算法仿真下天线方向图(方向图表征了各方向的分贝值)的误差，该误差为天多种算法与标准算法的比较值。
34.对于电中尺寸电磁问题，设置金属平板距离喇叭天线口面100mm，金属平板外形尺寸为n*n(n：500～800mm)。该仿真工程符合电中电磁问题特征，电磁计算采用商业电磁仿真软件cst 2016，目的是查看不同算法仿真结果的误差并进行分析。
35.对于电大尺寸电磁问题，设置金属平板距离喇叭天线口面100mm，金属平板外形尺寸为n*n(n：4000～6000mm)。该仿真工程符合电大电磁问题特征，电磁计算采用商业电磁仿真软件cst 2016，目的是查看不同算法仿真结果的误差并进行分析。
36.对于超电大尺寸电磁问题，设置金属平板距离喇叭天线口面100mm，金属平板外形尺寸为n*n(n：11000～15000mm)。该仿真工程符合超电大电磁问题特征，电磁计算采用商业电磁仿真软件cst 2016，目的是查看不同算法仿真结果的误差并进行分析。
37.根据以上对不同电尺寸电磁问题的仿真设置，将不同电尺寸电磁问题的仿真算法适用性结论列为表1，不同电尺寸电磁问题的仿真算法误差分析总结见表2。
38.表1电磁算法适用性结论
39.问题类型速度优先推荐算法精度优先推荐算法
电小问题无fitd、mom电中问题mlfmm、femfitd电大问题mlfmm(近场源)、mlfmm(远场源)fitd超电大问题sbr(raytubes)fitd
40.表2电磁算法误差分析总结
[0041][0042][0043]
举例来说，对电大尺寸电磁问题进行电磁仿真计算，仿真结果查看的指标包括喇叭天线的s参数和天线在具有障碍物情况下的喇叭天线方向图仿真结果，以及不同算法仿真占用内存和求解时间，仿真过程数据见表3。
[0044]
表3不同算法占用内存和求解时间(电大尺寸电磁问题)
[0045]
[0046][0047]
从表3可以看出，在电中问题中mom占用的计算机峰值内存最大且求解时间最长，fitd占用的计算机峰值内存最小且求解时间最短。当未知量上升时，mom算法明显不适合对电大问题进行求解了，因此可以看出mlfmm算法的优势了：它比mom算法节省近90％的峰值内存，提高问题求解速度近94％～98％。
[0048]
在比较完不同算法的计算效率后，在比较一下不同算法的仿真结果。如图2所示，从喇叭天线的s参数仿真结果中我们能看出，fitd虽然较mlfmm仿真时间多花了五倍时间但可以仿真求解宽带，而mom方法则只能在一次仿真中计算一个单独的频点，这就是时域算法的优势所在。并且从仿真结果图可以看出，mom的散射参数仿真结果与时域算法的仿真结果差了有10个db，这也能说明mom并不适合对电大问题进行求解。搭配天线近场源的mlfmm算法较搭配天线远场源的mlfmm算法更为精确，mlfmm(近场源)算法下散射参数的仿真结果较mlfmm(远场源)提升3db左右，较使用真实天线物理结构的mlfmm算法准确度提升5db。
[0049]
从方向图仿真结果图3中可以看出，喇叭天线的大部分能量大部分被口面正前方的金属板反射回来了，不同算法计算出的天线主瓣方向增益基本稳定在13.9db左右，不同算法仿真出的主瓣增益误差在0.5db附近。mom算法在金属板侧反射方向图略有不同，说明在电大问题的电磁仿真计算中无论是从仿真时间还是仿真精度上考虑，都不能选择mom算法。所以在电大问题的仿真中，针对不同求解问题应优先选用fitd、mlfmm(近场源)和mlfmm(远场源)。
[0050]
本技术能够在进行飞机电磁计算前，对飞机平台使用合适的电磁算法，以及给出各算法带来的误差评估，根据本专利内容提出的合适的电磁算法的选择能够缩短整体飞机设计的项目周期，并提升飞机设计的效率。
[0051]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。