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。使用傳統的方法需要的計算量太大，計算速度很慢且需要占用很大的內存空間

。為了快速解決復雜的電磁工程問(wèn)題，人們通常對天線(xiàn)等復雜模型進(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。從而避免了對天線(xiàn)與障礙物整體采用MLFMA建模仿真時(shí)計算復雜度太大的缺點(diǎn)，使得整個(gè)算法求解問(wèn)題的復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合大大的降低了矩陣的填充時(shí)間與存儲空間，并加速了迭代過(guò)程中矩陣矢量相乘的計算。對于未知量數目為N的散射問(wèn)題，直接求逆的計算

作為數值方法，快速多極子方法和多層快速多極子方法具有數值誤差可控、計算精度高、通用性強和應用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是相對于PO等高頻方法而
言，數學(xué)公式復雜、不易編程、優(yōu)化參數較多。該方法對軟硬件環(huán)境要求較低，在一般的PC兼容機即可開(kāi)展復雜目標電磁仿真。目標散射分析能力主要受限于
計算機內存大小。
3口徑面天線(xiàn)電流等效方法及驗證天線(xiàn)口徑面上的電流分布可以根據天線(xiàn)的遠場(chǎng)參數采用泰勒線(xiàn)源法導出
[3-4]
，而口徑面天線(xiàn)的遠場(chǎng)可以看作是口徑面上具有不同電流強度的偶極子陣列在遠區產(chǎn)生的場(chǎng)強的疊加。對口徑面天線(xiàn)的等效偶極子陣列產(chǎn)生的總場(chǎng)強進(jìn)行歸一化處理便得到天線(xiàn)的方向圖。
下面對一圓拋物面天線(xiàn)進(jìn)行仿真來(lái)驗證該方法的正確性
[4]
。天線(xiàn)的結構示意圖如圖1所示，其中a=2.4mb=0.3m。

將圖3與文獻
[4]
中計算的天線(xiàn)遠場(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電體或導磁體，它們的存在將會(huì )對天線(xiàn)的性能造成影響。當天線(xiàn)附近有導
電體存在時(shí)，在頻率較高的情況下，如果把天線(xiàn)和導電體作為一個(gè)整體統一建模，無(wú)論是采用精確仿真方法還是高頻方法，都需要花費很高的計算代價(jià)，計算
速度也較慢。應用上述的等效方法，可以將天線(xiàn)等效為口徑面上的偶極子分布陣列，將其與導電體作為一個(gè)整體進(jìn)行建模，這樣可以有效的提高計算效率，并
且不失準確性。

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(cháng)為d=0.5m的金屬方板。在頻率
為3GHz的情況下，整個(gè)模型為電大尺寸結構。這里將口徑面天線(xiàn)等效為口徑面上的具有不同電流強度，但相位相同的電偶極子陣列，將其當作激勵源，并與口
徑面前方的金屬方板一起作為仿真模型，應用多層快速多極子方法，可以快速計算此等效情況下的方向圖。結果如圖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，這清晰的反映了導電體對天線(xiàn)性能的影響。在工程精確度
要求不高的情況下，應用此方法可以簡(jiǎn)化分析口徑天線(xiàn)的電磁兼容問(wèn)題，快速的估計導電體對天線(xiàn)性能的影響。
5結論
本文采用天線(xiàn)的遠場(chǎng)參數快速估計了天線(xiàn)的口徑面電流分布，繼而得到了天線(xiàn)的遠場(chǎng)方向圖，通過(guò)與實(shí)際天線(xiàn)遠場(chǎng)方向圖的對比，驗證了此種方法的正確
性。在此基礎上，將口徑面天線(xiàn)替代為電偶極子陣列，分析了在有導電方板遮擋的情況下，天線(xiàn)方向圖的變化。應用此種方法能夠快速的估計天線(xiàn)附近導電體對
天線(xiàn)性能的影響，在工程上具有較好的實(shí)用意義。