工程上快速估算電磁兼容

1引言
電大尺寸的電磁兼容問(wèn)題的求解是工程領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。使用傳統(tǒng)的方法需要的計(jì)算量太大，計(jì)算速度很慢且需要占用很大的內(nèi)存空間

。為了快速解決復(fù)雜的電磁工程問(wèn)題，人們通常對(duì)天線(xiàn)等復(fù)雜模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。本文提出了一種分析電大尺寸口徑面天線(xiàn)電磁兼容問(wèn)題的有效方法。利用該方法，天線(xiàn)激勵(lì)可被等效為口徑面上的偶極子陣列，而口徑面天線(xiàn)口徑上的電流分布可以采用泰勒線(xiàn)源法用簡(jiǎn)單的近似公式導(dǎo)出。在用基于表面積分方程的快速算法求解天線(xiàn)附近存在障礙物時(shí)的電磁兼容問(wèn)題時(shí)，該偶極子陣列可以用來(lái)代替原來(lái)的天線(xiàn)激勵(lì)。從而避免了對(duì)天線(xiàn)與障礙物整體采用MLFMA建模仿真時(shí)計(jì)算復(fù)雜度太大的缺點(diǎn)，使得整個(gè)算法求解問(wèn)題的復(fù)雜度取決于散射體的大小，與天線(xiàn)形狀和尺寸無(wú)關(guān)。
2多層快速多極子簡(jiǎn)介
快速多極子方法(FMM)和多層快速多極子方法(MLFMA)是求解電磁場(chǎng)積分方程的快速算法

。使用矩量法求解電磁場(chǎng)積分方程時(shí)，由于填充矩陣為一稠密矩陣，從而影響了矩量法求解電磁問(wèn)題的效率。多層快速多極子與矩量法結(jié)合大大的降低了矩陣的填充時(shí)間與存儲(chǔ)空間，并加速了迭代過(guò)程中矩陣矢量相乘的計(jì)算。對(duì)于未知量數(shù)目為N的散射問(wèn)題，直接求逆的計(jì)算

作為數(shù)值方法，快速多極子方法和多層快速多極子方法具有數(shù)值誤差可控、計(jì)算精度高、通用性強(qiáng)和應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是相對(duì)于PO等高頻方法而
言，數(shù)學(xué)公式復(fù)雜、不易編程、優(yōu)化參數(shù)較多。該方法對(duì)軟硬件環(huán)境要求較低，在一般的PC兼容機(jī)即可開(kāi)展復(fù)雜目標(biāo)電磁仿真。目標(biāo)散射分析能力主要受限于
計(jì)算機(jī)內(nèi)存大小。
3口徑面天線(xiàn)電流等效方法及驗(yàn)證天線(xiàn)口徑面上的電流分布可以根據(jù)天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)參數(shù)采用泰勒線(xiàn)源法導(dǎo)出
[3-4]
，而口徑面天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)可以看作是口徑面上具有不同電流強(qiáng)度的偶極子陣列在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的疊加。對(duì)口徑面天線(xiàn)的等效偶極子陣列產(chǎn)生的總場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行歸一化處理便得到天線(xiàn)的方向圖。
下面對(duì)一圓拋物面天線(xiàn)進(jìn)行仿真來(lái)驗(yàn)證該方法的正確性
[4]
。天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中a=2.4mb=0.3m。

將圖3與文獻(xiàn)
[4]
中計(jì)算的天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖（圖4）進(jìn)行比較，兩者十分吻合。

4金屬板遮擋下的電磁兼容問(wèn)題
實(shí)際工程問(wèn)題中，天線(xiàn)常常處于非理想的環(huán)境中，天線(xiàn)的附近可能分布有較多的導(dǎo)電體或?qū)Т朋w，它們的存在將會(huì)對(duì)天線(xiàn)的性能造成影響。當(dāng)天線(xiàn)附近有導(dǎo)
電體存在時(shí)，在頻率較高的情況下，如果把天線(xiàn)和導(dǎo)電體作為一個(gè)整體統(tǒng)一建模，無(wú)論是采用精確仿真方法還是高頻方法，都需要花費(fèi)很高的計(jì)算代價(jià)，計(jì)算
速度也較慢。應(yīng)用上述的等效方法，可以將天線(xiàn)等效為口徑面上的偶極子分布陣列，將其與導(dǎo)電體作為一個(gè)整體進(jìn)行建模，這樣可以有效的提高計(jì)算效率，并
且不失準(zhǔn)確性。

考慮圖5所示的電磁兼容問(wèn)題，其中口徑面天線(xiàn)與文章第3部分的所采用的天線(xiàn)相同，但在距天線(xiàn)c=0.8m處存在一個(gè)邊長(zhǎng)為d=0.5m的金屬方板。在頻率
為3GHz的情況下，整個(gè)模型為電大尺寸結(jié)構(gòu)。這里將口徑面天線(xiàn)等效為口徑面上的具有不同電流強(qiáng)度，但相位相同的電偶極子陣列，將其當(dāng)作激勵(lì)源，并與口
徑面前方的金屬方板一起作為仿真模型，應(yīng)用多層快速多極子方法，可以快速計(jì)算此等效情況下的方向圖。結(jié)果如圖6所示。

由圖3和圖6進(jìn)行比較可以看出，在有金屬方板遮擋的情況下，天線(xiàn)的方向圖發(fā)生了很大的變化，這清晰的反映了導(dǎo)電體對(duì)天線(xiàn)性能的影響。在工程精確度
要求不高的情況下，應(yīng)用此方法可以簡(jiǎn)化分析口徑天線(xiàn)的電磁兼容問(wèn)題，快速的估計(jì)導(dǎo)電體對(duì)天線(xiàn)性能的影響。
5結(jié)論
本文采用天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)參數(shù)快速估計(jì)了天線(xiàn)的口徑面電流分布，繼而得到了天線(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，通過(guò)與實(shí)際天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的對(duì)比，驗(yàn)證了此種方法的正確
性。在此基礎(chǔ)上，將口徑面天線(xiàn)替代為電偶極子陣列，分析了在有導(dǎo)電方板遮擋的情況下，天線(xiàn)方向圖的變化。應(yīng)用此種方法能夠快速的估計(jì)天線(xiàn)附近導(dǎo)電體對(duì)
天線(xiàn)性能的影響，在工程上具有較好的實(shí)用意義。