快速获取天线参数的时域混合方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电磁仿真技术领域，特别是一种快速获取天线参数的时域混合方法。
【背景技术】
[0002] 对于电大尺寸平台上的天线辐射散射问题，常用的方法有频域方法和时域方法， 频域方法如矩量法（MoM)、有限元方法（FEM)、物理光学方法（PO)等。时域方法有基于矩 量法的时域积分方程方法（TDIE)、时域物理光学法（TDPO)等。相对于频域方法而言，时域 方法一次计算能获得一定频带范围内的参数，而频域方法一次计算只能获得一个频点的参 数。
[0003] 时域积分法（TDIE)最早由 C. L. Bennett 等人提出（C. L. Bennett and W. L. Weeks,A technique for computing approximate electromagnetic impulse response of conducting bodies, Purdue University, Lafayette, Indiana, Technique Report TR-EE68-11，1968)，通过在物体表面建立积分方程，并直接在时域求解。通过对 计算结果进行傅里叶变换，可以得到物体宽频带的参数。1991年在TDIE中空间基函数的 离散米用了 RWG 基函数（Rao M，Wilton D and Glisson A.Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shape. IEEE Transaction on Antennas and Propagation ,1982, 30 (3) :409 - 418·)，完善了 TDIE方法。随后出现了提高稳定性的两个技术：1)间 上的离散使用了时间基函数，方便对时域波形进行插值；2)隐式TDIE(S. J. Dodson，S. P. Walker, and M. J. Bluck, Implicitness and stability of time domain integral equation scattering analyses, Applied Computational Electromagnetic Society Journal，1997, 13:291-301.),时间步长只和问题需要的求解精度有关。
[0004] 虽然TDIE能够获得天线宽频带的参数，但是由于建立在严格的积分方程上，需要 对物体进行网格离散，通常网格离散大小为〇. 1 λ min，这里λ min为感兴趣频带的最小波长。 当天线的尺寸相对于电波长很大时，用TDIE求解问题的规模将很大，很耗时。而TDPO方 法(E. -Y. Sun and ff.V. T. Rusch, Time-Domain Physical-Optics, IEEE Trans. Antennas Propagat.，1994, 42(1) :9-15)能够快速计算电大尺寸目标的时域参数，所需的内存也很 小。而且很容易和其他方法混合。基于此，本发明专利将TDIE和TDPO方法结合，分析天线 的宽频带参数。将天线的细微结构划为TDIE区，将光滑部分划为TDPO区，在TDIE区利用 基于时间步进MOT的TDIE方程进行求解。
[0005] 现有的分析天线宽频带参数的方法主要存在以下两个问题：
[0006] (1)基于频域的方法一次计算只能得到一个频点的参数。需要多次重复计算才能 获得宽频带参数。
[0007] (2)基于时域的TDIE方法需要很长的计算时间。没有利用天线平滑区域的结构特 征。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种快速获取天线宽频带参数的时域混合方法。
[0009] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种快速获取天线宽频带参数的时域混合方 法，步骤如下：
[0010] 第1步,建立天线的结构模型；
[0011] 第2步，根据天线的结构特征确定物时域理光学方法区和时域积分方法区，采用 三角形单元对天线的结构模型进行网格剖分，得到剖分的网格模型；
[0012] 第3步，在天线的馈电处加电压源；
[0013] 第4步，在天线表面建立TDIE-TDP0混合方程，TDIE区使用时间步进MOT方法求 解时域电场积分方程，获得未知电流，空间上采用RWG基函数离散，时间上采用三角基函数 离散。在TDPO区，感应电流的求解通过TDIE区感应电流辐射场得到。
[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1) 一次计算能够获得天线的宽频带参数， 不需要重复计算。（2)利用TDPO方法，将天线分为TDIE区和TDPO区，显著节省计算时间。
【附图说明】
[0015] 图1是天线结构示意图。
[0016] 图2是TDIE和TDPO区域划分和网格剖分。
[0017] 图3是Delta函数缝隙电压源模型。
[0018] 图4是RWG基函数不意图。
[0019] 图5是二角基函数不意图。
[0020] 图6是TDPO区点匹配示意图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0022] 第1步，建立天线的结构模型。如图1所示为单极子天线模型，馈电点在单极子天 线与平板交界处。
[0023] 第2步，根据天线的结构特征确定物理光学区和时域积分方法区，采用三角形单 元对天线的结构模型进行网格剖分。将比较细微的结构（如单极子天线及其附近区域）划 分为TDIE区，将比较平滑的区域划分为TDPO区，如图2所示。根据所要分析的频带确定 三角形网格离散大小，如所要分析的频带范围为（f min，fmax)，则以最高频率fmax对应的波长 入min = c/fmax为准选取网离散大小，通常网格平均离散大小的选取为1 = 〇. 1 λ min。离散后 的网格如图2所示。
[0024] 第3步，在天线的馈电处加电压源。采用外加 Delta电压源方式馈电。如图3所 示，缝隙内的电场可表示为：
【主权项】
1. 一种快速获取天线参数的时域混合方法，其特征在于步骤如下： 第1步，建立天线的结构模型； 第2步，根据天线的结构特征确定时域物理光学方法TDPO区和时域积分方法TDIE区， 采用三角形单元对天线的结构模型进行网格剖分，得到剖分的网格模型； 第3步，在天线的馈电处加电压源； 第4步，在天线表面建立TDIE-TDPO混合方程，TDIE区使用时间步进MOT方法求解时域 电场积分方程，获得未知电流，空间上采用RWG基函数离散，时间上采用三角基函数离散； 在TDP0区，感应电流的求解通过TDIE区感应电流的辐射场得到。
2. 根据权利要求1所述的快速获取天线参数的时域混合方法，其特征在于：所要获取 天线参数的频带范围为（fmin，fmax)，中心频率为f〇,最高频率fmax对应的波长Amin =c/fmax， 其中c为光在自由空间中的传播速度。
3. 根据权利要求1所述的快速获取天线参数的时域混合方法，其特征在于：所述步骤1 天线置于介电常数％、导磁率的自由空间中。
4. 根据权利要求1所述的快速获取天线参数的时域混合方法，其特征在于：所述步骤2 中，天线结构模型中馈电部分细微结构为TDIE区，剩余平滑的区域划TDP0区；对天线进行 三角形网格剖分时，三角形平均边长1满足1 = 〇. 1Xmin。
5. 根据权利要求1所述的快速获取天线宽频带参数的时域混合方法，其特征在于所述 步骤3的具体方法如下： 在天线馈电处的三角形单元的边上加Delta函数缝隙电压源；缝隙内的电场表示为：
(1) 其中h+为馈电边所在三角形的高，S为缝隙距离，Vjt)为高斯脉冲，表示为：
(2) 其中T是高斯脉冲宽度。
6. 根据权利要求1所述的快速获取天线参数的时域混合方法，其特征在于所述步骤4 中： TDIE区的感应电流产生的散射电场矿(?，〇和散射磁场互为
其中R表示观察点和源点之间的距离，表示为i?=|r-r|，t=t_R/c,ii为磁导率，e 为介电常数。 在空间上用RWG基函数展开，时间上用三角基函数展开，表示为：
(7) 其中，4为展开系数，I\(t)为三角基函数，；7"(?)为RWG基函数，NTDIE表示TDIE区RWG基函数个数，Nt表示时间基函数个数； 在TDPO区，感应电流在空间上用RWG基函数展开，时间上用三角基函数展开为：
其中，Mt)和次为展开系数，N_表示TDPO区RWG基函数个数；在TDPO区，利用物 理光学P0近似得到
具中，n表不TDPO区点r处的早位法冋天重，^表不遯挡系数，如果点？位于阴影区， 则s' = 〇 ;否则如果;:位于照明区，则S' = 1 ; 在TDPO区的每一条边的中点&处引入两个单位矢量g和G，k= 1，2，...，Ntdpq，G和茲垂直于第k条边，并且位于三角形平面内；利用g和G对⑶式中
其中"tan"表不切向场分量，表不馈电产生的场； 利用TDIE区的基函数对（11)式进行伽辽金测试得到线性方程组，该方程组的大小为NTDIE ;求解方程组，得到TDIE区的感应电流，再利用（9)式得到TDPO区的感应电流。
【专利摘要】本发明公开了一种快速获取天线参数的时域混合方法。该方法首先将天线分为时域物理光学法(TDPO)区和时域积分方法(TDIE)区，然后根据边界条件建立TDIE-TDPO混合方程。在TDIE区，采用基于时间步进(MOT)的TDIE方程，空间上采用RWG基函数离散，时间上采用三角基函数离散。用上述方法对TDIE-TDPO混合方程进行离散后，在时间和空间上进行测试得到线性矩阵方程组。求解线性矩阵方程组，得到天线表面感应电流。本发明能够快速获取天线参数的宽频带信息，对UWB超宽带天线参数提取特别有效。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104699875
【申请号】CN201310661276
【发明人】陈如山, 樊振宏, 丁大志, 叶晓东, 沙侃, 安玉元
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2013年12月8日