1. 引言
针对高频强场辐射源所形成的复杂电磁环境对电子系统所形成的电磁威胁以及易损性评估,文献 [1] 强调了数值模拟与仿真的重要性。王鹏等在 [2] 中提出了针对高功率电磁脉冲环境的系统级电磁效应评估与技术的发展途径。Hu Rui等在2017年的微波、天线、传播与电磁兼容技术国际会议上提出了某导航贴片天线受不同电磁脉冲照射后的输出时域波形信号的仿真数据及其分析结果 [3] 。Lorena Lozano等利用电磁仿真工具,基于矩方法(MOM),模拟了大型商用喷气式飞机和旋翼飞机的机身对航空卫星信道的效应,包括脉冲响应,窄带信号与宽带信号的时间信道变化 [4] 。Luan Shenshen等在文献 [5] 中,关于相控阵雷达的高空核电磁脉冲(HEPM)的防护技术研究,提出了电磁拓扑(EMT)和决策试验与评估(DEMETEL)相结合的方法,降低了确定耦合路径的难度。左超等在解决一箭多星的电磁兼容问题时,通过建立天线模型和透波口模型以及仿真,确定转发天线的最佳架设方位 [6] 。向振宇等研究了天线耦合干扰对传输线网络的电磁效应,得到一种计算复杂传输线网络终端频域及时域响应的方法 [7] [8] 。本文基于散射电场强度的Helmholtz方程,利用时域有限差分方法的SEMBA软件,对天馈系统在高频强场源辐射下的耦合效应进行了仿真计算。首先获得相关部件的相关电磁特性,特别是电导率,大多数材料都可以在高频下作为理想导电体(PEC)来处理;在本文中,将假设天线就是这种情况。导线的建模需要设定电阻单位(Ω/m)和电感单位(H/m),传输线中的负载也必须确定。模型空间采用无限元域截断,由于完整天线包括网格数巨大,在五百万单元左右,因此计算量巨大。这里的结果只能证明能够实现对波导天线进行仿真,与实验数据的比较需要更详尽的分析。
2. 几何模型
2.1. AutoCAD图片导入GiD模拟
AutoCAD.dwg格式是一种仅由Autodesk程序处理的闭二进制格式。为了使用其他工具,需要将其转换成其他格式。有几种转换工具可用。我们采用DWG DXF转换器,该转换器可以免费下载:http://anydwg.com/dwg-dxf/.
2.2. 基于GiD-SEMBA建模
转化后的dxf文件格式可以导入GID,并且保持所提供单元(mm)的原始尺寸。然而,它们将是3D建模的部分草图。下面小节介绍了对提供的两个部分的操作的一些步骤:喇叭天线和从圆形波导到矩形波导的适配器。为这个例子创建的3D模型作为单独的示例提供。
2.2.1. 喇叭天线
将DXF文件导入GID提供程序草图(图1)。必须处理此几何图形以生成(图2)所示的3D模型。为了获得该模型,关键步骤是生成相应的线,当在GID中旋转表面并激活时产生正确的表面。
Figure 1. GiD view after importing DXF corresponding to the horn antenna
图1. 导入与喇叭天线对应的.dxf文件后的GID视图
Figure 2. 3D model of the horn antenna. For the lateral view (upper image) the external surface was removed
图2. 喇叭天线的3D模型,(上部图像)是去除外表面的侧视图
2.2.2. 圆形到矩形波导适配器
正如在2.2.1节中描述的情况一样,将DXF文件导入GiD提供程序草图(图3)。必须处理此几何图形以生成(图4)所示的3D模型。为了获得该模型,关键步骤是在两个波导段之间产生正确的过渡。这是通过包含在圆形波导上的八个引导点来实现的。
3. 基于GiD-SEMBA的问题定义及网格剖分
3.1. 问题定义
在第2章中介绍生成的不同的GID模型生成均可以导入,移动和旋转,使它们的不同部分匹配。此外,我们还在天线前面增加了一个矩形波导过渡和一个导线,所得到的模型的图像如图5所示。
Figure 3. GiD view after importing DXF corresponding to the circular to rectangular waveguide adapter
图3. 对应于圆形到矩形波导适配器的导入.dxf文件后的GID视图
Figure 4. 3D model of the horn antenna. For the the external surface was removed to appreciate the inner of the waveguide.
图4. 喇叭天线的3D模型,删除外部表面来观察波导内部
Figure 5. Microwave circuit incorporating the horn antenna and the adapter models. A wire has been modeled in front of the antenna. Computational domain box is not shown
图5. 结合喇叭天线和适配器模型的微波电路,导线在天线的前面,计算域未显示
将SEMBA问题类型加入到GiD中后,可以设置不同的条件和材料:
· 所有UGRFDTD选项都设置为默认值,网格剖分设置为ZMesher。模型单位设置为mm。
· 在结构周围画出一个框,给出了每个方向上单元距离为0.5 mm的网格条件。
· 所有天线表面都被设置为PEC,导线的半径为10 mm,电阻为50 Ω/m.
· 矩形波导端口设置在矩形波导的开头,所有选项设置为默认值。
· 两个电探针被设置在天线内和前面的点上。两个电流探针位于导线的不同点。
3.2. 几何网格剖分
在所有的电磁条件都被定义之后(3.1节),下一步生成由点、线和三角形组成的几何网格,这些网格充分地再现了问题的几何结构。为此,我们注意到几何中包含许多曲面和几个直线曲面。只用两个三角形就足够可以模拟一个矩形平面表面。另一方面,我们需要许多三角形来充分地建模具有足够精度的几何形状。为了满足所有这些要求,可以方便地选择Mesh Sizes by chordal error,并将最大chordal error设置为0.005。现在我们可以使用显著更大的元平均值来生成网格。使用50的平均尺寸我们得到图6所示的网格,其中包含大约130万个元。在Intel(R)Core(TM)i7-3960XCPU@3.30 GHz桌面计算机中,获得几何网格大约需要两分钟。
Figure 6. Geometric mesh for the microwave circuit. Curved surfaces need more elements to be adequately reproduced
图6. 微波电路的几何网格,需要足够的单元生成曲面
3.3. FDTD网格剖分
我们可以使用SEMBA来获得用来仿真的FDTD网格。建议检查所获得的网格,以便确定一切是否正确。在图7中,网格的一些细节被高亮显示。最终网格包含267 × 267 × 1200个单元。
4. 仿真及结果分析
一旦获得FDTD网格nfde文件可作为UGRFDTD求解器的输入。该模拟大约消耗5 GB的RAM,在Intel(R)Core(TM)i7-3960XCPU@3.30 GHz桌面计算机上运行大约需要三个小时。经过仿真,结果在SEMBA在GiD项目文件夹内创建的ugrfdtd文件夹中:microwave_circuit.gid。在这个文件夹中,出现了几个dat文件,其中包含与创建的输出请求相对应的信息。
这些文件是plain-ascii格式,可以使用许多不同的程序进行操作。在我们的例子中,我们准备了一个Python 2.7脚本(plot.py),当从项目文件夹复制和运行时,它会生成图8所示的图。
Figure 8. Graphs of different probes generated by plot.py Pypython script
图8. plot.py Pypython脚本生成的不同探针的图形
我们可以观察到,对于给定的激励,该波同时到达两个线探针并产生感应电流,大约为微安的十分之一。电探针显示电场在波导内部大得多,而在天线前面传输很少的能量,这可能是由于不同组件之间的过渡阻抗不匹配。
本文介绍了基于SEMBA电磁仿真软件的天线对高频强场电磁效应的仿真的几何建模与计算方法。仿真结果表明,利用SEMBA软件能够实现对波导天线电磁效应的仿真。
NOTES
*通讯作者。