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如何仿真高效的辐射与散射方法详细说明
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2020-07-07
张国厚
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有限元法（FEM）作为一种分析和设计工具，已广泛应用于天线、微波和信号完整性等众多电子工程领域。FEM求解器与其它矩量法（MoM）和时域有限差分法（FDTD）等数值方法相比拥有多项显着的优势。这些优势包括：能够处理复杂的非均匀和各向异性材料、能够借助四面体单元准确地描绘复杂几何形状、能够使用高阶基函数实现准确性、具有多种端口和入射波等激励方式。利用这些功能优势，FEM就能够以极高的准确性对波导结构进行建模。但是，对于开放空间问题（例如天线向开放空间辐射的时候），FEM求解器需要通过在人工截断的边界表面上设定辐射边界条件（RBC），以便将无限域截断为有限域。两种广泛使用的RBC包括一阶吸收边界条件（ABC）和理想匹配层（PML），后者通常情况下都能够提供最佳的准确性。两种方法都保留了FEM系统矩阵的稀疏性，但仅适用于凸起的辐射表面。两种都属于近似方法，都存在准确性问题，比如会产生来自辐射表面的非物理伪反射。这个问题可以通过增大RBC与辐射结构的间距，让反射降至可忽视的水平，来予以解决。另一方面，积分方程（IE）法，比如MoM，则非常适合对位于匀质边界或无限大介质中的结构进行建模。其分析内核采用格林函数，可以在无穷远处采用Sommerfeld辐射条件。因此，不管是从内存占用，还是从CPU时间占用来说，对多个在空间上分离，互不相连的同质结构，IE求解器都毋庸置疑地成为更好的选择，因为它不需要对目标之间的空间进行详细的建模。早在1990年，Yuan就已经成功实现了FEM求解器和IE求解器的混合算法，这个方法现普遍称为混合有限元边界积分方法（FEBI）。这种方法把边界积分：Sommerfeld辐射条件的MoM解，用作FEM解的截断边界，因此可以在理论上准确地处理远场辐射条件。这样就引出一系列有意思的特性，比如可用作任意形状的距离辐射体很近的全共形的辐射表面。本文将介绍ANSYS公司在HFSS中提供的一款全新的FEBI求解器。该求解器得力于近期区域分解方法的进步。在现有的FEBI 方法中，无限未知域被分割为两个互不重叠的域：一个有界FEM域和一个无界同质外部域。两个域间的耦合通过其交界面上的合适的边界条件加以考虑。
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