一种单向精细结构天线的电磁仿真方法

本发明属于物理学计算，涉及一种单向精细结构天线的电磁仿真方法，具体是一种笛卡尔直角坐标系下基于人工各向异性参数和辅助变量的低色散混合隐式-显式时域有限差分法实现卷积完全匹配层的方法。

背景技术：

1、网格剖分方式在进行仿真计算时至关重要，尤其在解决开域空间问题时所需的网格单元数量相当庞大，因此在运用电子计算机进行仿真计算时需要充足的内存才能保证整个仿真过程顺利完成。然而，由于计算机内存有限，时间成本过高，所以无法有效处理开域电磁问题。为了解决以上问题，必须在合适的位置设置一种特殊的边界，而且设置的截断边界必须保证能够有效的消除外行电磁波，否则会在边界处出现严重的反射现象，降低计算精度，甚至无法完成仿真计算任务。目前，截断边界已从包括mur吸收边界在内的传统方法发展到吸波性能更优越的吸收边界条件，其中具有代表性的就是完全匹配层(perfectlymatched layer,pml)，包括berenger完全匹配层(berenger pml,bpml)、各向异性介质完全匹配层(uniaxial pml,upml)和卷积完全匹配层(convolutional pml,cpml)，而cpml是其中吸波性能最好的吸收边界条件，对倏逝波和低频波依然保持非常优越的吸波性能。

2、随着计算机技术的快速发展以及电磁仿真问题的复杂化，数值计算方法已经取代了传统解析方法，其中位列三大主流数值算法的时域有限差分法(finite-differencetime-domain，fdtd)是最常用的方法之一，已在诸多研究领域得到广泛应用。但是由于存在严苛的时间稳定性条件限制，传统fdtd方法无法高效精确仿真分析精细结构。为了进一步减弱以上限制，学者们提出了一系列改进方案，其中混合隐式-显式(hybrid implicit-explicit,hie)fdtd具有弱条件稳定的优势，一步蛙跳hie-fdtd(l-hie-fdtd)方法的提出使时间稳定性条件变得更加宽松，其时间步长只与两个粗糙结构方向的空间步长有关，但是随着计算效率的提升，一步蛙跳方案会导致严重的数值色散问题。为了解决数值色散特性差引起的计算精度降低等问题，提出了一种基于人工各向异性参数的低色散一步蛙跳hie-fdtd(a-hie-fdtd)方法，在保证高计算效率的同时实现了计算精度的改善。但是面对该方法目前无法有效应用于具有单向精细结构微波器件远场辐射问题的困境，亟需一种适用于a-hie-fdtd方法的高效稳定的吸收边界。

技术实现思路

1、为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种单向精细结构天线的电磁仿真方法，提出一种笛卡尔直角坐标系下基于人工各向异性参数和辅助变量的低色散混合隐式-显式时域有限差分法实现卷积完全匹配层的方法，该方法通过引入人工各项异性参数有效改善了数值色散特性和计算精度，并通过辅助变量简化了实现过程，提高了计算效率。

2、本发明为解决所述技术问题所采取的技术方案是，

3、第一方面，本发明提供一种单向精细结构天线的电磁仿真方法，所述单向精细结构指代仅一个空间方向上为小尺寸结构；该方法包括以下步骤：

4、步骤s1、建立天线电磁仿真对象模型，确定天线尺寸的计算空间范围；

5、步骤s2、构造适用于低色散混合方法的卷积完全匹配层；

6、在低色散一步蛙跳混合隐式-显式时域有限差分方法中添加对应的完全匹配层吸收项，构造适用于低色散混合方法的卷积完全匹配层；利用适用于低色散混合方法的卷积完全匹配层获取天线的远场数据；

7、步骤s3、基于适用于低色散混合方法的卷积完全匹配层，获取人工各向异性参数、以及下一时刻的辅助场量、吸收项、磁场值、电场值；

8、步骤s4、更新电场的激励源并更新循环时间步n；

9、将电场激励源j添加至在计算区域的中心位置，并将更新后的激励源数值赋值给中心位置的电场分量，完成电场激励源位置及数值的更新；循环时间步n每次循环增加1，并判断是否达到步骤s1中的仿真迭代步数n，其中n的范围为1～n；若未达到仿真迭代步数n，则时间步n增加1，并返回步骤s3继续循环；若达到迭代步数，即n＝n，则结束，并记录步骤s3至步骤s4中得到的电磁场分量。

10、作为优选，所述单向精细结构天线为具有单向精细结构的双频段多输入多输出天线。

11、第二方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行所述的方法。

12、第三方面，本发明提供一种计算设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现权所述的方法。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、本发明提出了低色散一步蛙跳混合隐式-显式时域有限差分方法与卷积完全匹配层的高效结合方法，实现了人工各向异性参数、辅助变量以及完全匹配层的融合拓展，对于具有单向精细结构天线的远场仿真，不仅有效改善了色散特性和计算精度，而且极大简化了实现过程，提高了计算效率。

技术特征：

1.一种单向精细结构天线的电磁仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤s1具体过程为：建立天线电磁仿真对象模型；根据天线电磁仿真对象模型，获取天线尺寸的计算空间范围；整个计算空间范围为(xmin,ymin,zmin)～(xmax,ymax,zmax)，空间范围大小为(xmax–xmin)×(ymax–ymin)×(zmax–zmin)，中心位置坐标为((xmin+xmax)/2,(ymin+ymax)/2,(zmin+zmax)/2)；其中，xmin和xmax分别表示x方向上的最小空间位置和最大空间位置，ymin和ymax分别表示y方向上的最小空间位置和最大空间位置，zmin和zmax分别表示z方向上的最小空间位置和最大空间位置。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤s2具体过程为：

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤s3中所述人工各向异性参数的计算如下：

5.根据权利要求3所述方法，其特征在于，步骤s3具体过程为：

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述单向精细结构天线为具有单向精细结构的双频段多输入多输出天线。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行权利要求1-6中任一项所述的方法。

8.一种计算设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现权利要求1-6中任一项所述的方法。

技术总结本发明公开一种单向精细结构天线的电磁仿真方法。建立天线电磁仿真对象模型，确定天线尺寸的计算空间范围；在低色散一步蛙跳混合隐式‑显式时域有限差分方法中添加对应的完全匹配层吸收项，构造适用于低色散混合方法的卷积完全匹配层；利用适用于低色散混合方法的卷积完全匹配层获取天线的远场数据和人工各向异性参数、以及下一时刻的辅助场量、吸收项、磁场值、电场值；更新电场的激励源并更新循环时间步。本发明提出了低色散一步蛙跳混合隐式‑显式时域有限差分方法与卷积完全匹配层的高效结合方法，对于具有单向精细结构天线的远场仿真，不仅有效改善了色散特性和计算精度，而且极大简化了实现过程，提高了计算效率。技术研发人员：张康龙,赵鹏,汪巍,王艳洋,王高峰受保护的技术使用者：杭州电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5