快速电磁计量软件包设计及应用

陆颖颖（南京邮电大学通达学院，江苏扬州，225127）

快速电磁计量软件包设计及应用

陆颖颖
（南京邮电大学通达学院，江苏扬州，225127）

在现代电磁现象随处可见的信息时代中，电磁场理论被广泛应用到科学技术的各个领域中，比如移动通讯、无线电波传播、雷达技术、天线、卫星通信、微波电子线路等，各种不同形式的应用对电磁场理论提出了较高的要求，但是全新的应用对电磁场问题的快速求解也越来越依赖。为了满足工程使用的需求，电磁学就要不断的改善及改进，从而能够解决计算机存储量及运算速度不断发展，从而使其受到限制的问题。将计算机技术及数值算法相结合，提高复杂目标问题求解的快速性及精准性，为电磁使用提供基础。基于此，本文就对快速电磁计算软件包的设计进行研究，并且对其的应用进行描述。

快速算法；计算电磁学；软件包；设计应用

0 引言

在对电磁场理论及数值算法研究及使用过程中，国外的开展比国内早，在电磁场数值算法方面及电磁问题解决方面一直处于领先状态，所以现社会中使用的商业电磁仿真软件都是国外研发的，比如XFDTD、CST等，并且软件的核心算法都不同，有矩量法、有限元法等，其被广泛应用到电子设计及电磁仿真方面。但是国外能够对大尺寸进行计算的软件包限制在我国使用，那么开发具有自主知识产权快速电磁软件具有重要的现实意义。

1 快速电磁计算软件包的设计

电磁仿真软件不仅要具有高效的核心算法支持，还要具备前后处理模块。

1.1 前处理模块

前处理模块的主要作用就是创建三维模型，从而实现节点、三角形提取等有效信息。

使用ANSYS、GID、FEMAP等软件实现几何模型创建，通过TCL/TK语言实现GID软件的二次开发，从而在系统软件中集成，完善软件包的建模功能。

使用FEMAP及GID软件进行网格划分，从而实现三维模型创建过程中产生的文件格式，比如.dwg、.dxp文件等，通过网格的划分生成具有较高质量的数据文件及自适应网络，其中包括三角形网格的坐标及编号、三角形单元编号及单元组成节点等【1】。

通过接口程序的编写，将三角形和节点信息进行提取。首先，实现刨分文件中撒尿性及节点信息的提取，之后根据RWG基函数定义实现内边信息的生成。如果出现多面连接，那么有可能是和多个不同的三角形单元进行连接，并且对应多个基函数，通过电流的连续性实现多面连接的修正，通过GFIE及MFTE对闭合结构的散射问题进行分析，对表面单位外法向矢量进行计算，虽然刨分软件产生三角形网格的过程中也会产生法向矢量，但是其不全部都是外法向矢量，所以要通过预处理程序进行进一步的判断，从而生成归一化三角形网格外法向矢量【2】。

1.2 后处理模块

计算时域积分方程得到的结果一般都是在不同时间的表面电流系数，这些系数要能够进行处理，才能够计算出要求的电磁参数的三维或者二维，这方面也是软件需要具备的功能。

编写RCS、瞬态远场分布、时刻电流分布及天线方向图等函数，从而实现提取电磁参数模块的设计。

通过Pro 6.0 组件实现图形展示模块的开发，此模块的主要功能就是实现极坐标、二维坐标及log坐标的显示，并且实现图形保存和导出。

通过和后处理模块接口程序的编写，通过GIS中的数据可视化将三角形网格中的电流分布及位置矢量显示出来，并且将表面的电流分布先显示出来。

1.3 计算模块

计算模块是快速电磁计算软件包的重要模块，直接影响软件在运行过程中的精度及效率，计算模块主要包括以下内容。

时域自适应：其主要目的是实现类平面结构中电磁散射问题的解决，其能够解决一万左右的数量，如果非类平面结构或者未知数规模在两万以上的时候，那么就要使用时域平面波算法实现；

时域平面波：其是系统中的重点内容，主要包括远组计算和近组计算。远组计算的主要目的为实现PWID的投射、转移及聚集；近组计算的主要目的是通过MOT实现电场积分方程的计算。将PWID算法使用到计算机中，能够有效解决六万多未知数规模计算，如果问题大于六万，就需要使用并行分布或者混合计算；

MOT模块的主要目的就是对于多个电磁问题，软件包能够使用户通过多个算法进行计算，从而满足效率及精度最优的需求。MOT具有较小的计算较小，一般只有一千个未知数；

混合计算模块的主要目的就是实现电磁中的兼容问题，不受任何因素的限制，将PWID及UID算法的结合，能够有效解决这些问题；

并行分布模块的主要目的就是通过前台界面设置端口号及局域网成员机的IP地址，后台使用.NET进行分布式计算，在局域网中能够实现三十万以下未知数问题的解决【3】。

2 快速算法

2.1 RCS函数的计算

假如介质相对介电常数表示为ε，厚度表示为d，在介质表面，通过边界条件，切向电场表示为0，得到下式：

Es表示导体表面的散射场，Ei表示入射场，见下式：

将入射场在坐标中分解为θ和φ两个方向的分量，Er表示入射场直接作用字啊介质表面中的发射场，表示为：

RTM、RTE分别表示TM、TE波入射时候，在介质表面产生的广义反射系数，将微带贴片表面的电流求出，就能够得到原厂散射，可以通过互易定理得到，互易定理为：

通过以上能够对电磁场辐射问题进行分析。

2.2 FFT算法

FFT算法是DFT的高效算法，其主要分为两种类型，分别为时间抽取及频率抽取：

时间抽取：假设N点序列x(n)，将x(n)根据奇偶进行分组，得到以下公式：

WN=-j（2π/N）

一个N点DFT能偶分解为N/2的DFT，继续进行分解及迭代。

将数据输入到存储器之后，每级运算的结果还是要存储到同一组存储器中，最后进行输出，中间没有其他存储器。根据时间将原位运算结构进行抽取，在运算结束之后能够直接根据一定的顺序进行输出。

频率抽取：频率抽取是根据频率实现抽取的算法，加入N=2∧M，使x（n）根据前后部分进行分解，通过k的奇偶分为两组，那么在得到两个N/2点的DFT运算之后，根据分解和迭代，就能够实现输出【4】。

3 结束语

将本文所设计的快速电磁计算软件包应用到某战斗机中，战斗机的长度为20.21m，高度为4.3m，翼展为14.1m，将结构进行刨分为三角面一共有25364个，一共有30254个未知数进行计算。将不同时刻的表面电流分布数据进行收集，将电流x方向中的分量进行显示，能够有效看到脉冲掠过飞机，飞机中能够感应到电流极化方向的分量峰值，在得到表面电流之后，就能够计算出RCS、瞬态远场分布等一系列的电磁参数。

本文所设计的软件包主要包括软件集成和算法研究两部分，通过软件在工程实践中使用，表示能够通过算法实现其功能。通过计算机编程语言实现算法测试环境的编写，从而创建电磁场数值计算软件包，这个过程较为复杂且费时费力。

[1]王丽华.ANSYS软件在永磁同步发电机电磁场分析中的应用[J].计量与测试技术,2012, 39(8):39-40.

[2]王文举,吕帅.快速电磁计算软件包设计与应用[J].电脑编程技巧与维护, 2012(24):23-24.

[3]江玉柱,张伟,井赛等.一种野战便携式电磁计量检定仪的研制[J].中国医疗设备,2014, 29(7):26-28.

[4]程健,郭丹丹,张俊华.基于空间电磁环境模拟的系统间电磁兼容性预测分析软件设计[J]. 计量技术,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