1.1 软件介绍 CST公司总部位于德国达姆施塔特市，成立于1992年。它是一家专业电磁场仿真软件的提供商。CST软件采用有限积分法（Finite Integration）。其主要软件产品有： CST微波工作室—— 三维无源高频电磁场仿真软件包（S参量和天线） CST设计工作室—— 微波网络（有源及无源）仿真软件平台（微波放大器、混频器、谐波分析等） CST电磁工作室—— 三维静场及慢变场仿真软件包（电磁铁、变压器、交流接触器等）马飞亚（MAFIA）—— 通用大型全频段、二维及三维电磁场仿真软件包（包含静电场、准静场、简谐场、本振场、瞬态场、带电粒子与电磁场的自恰相互作用、热动力学场等模块） 在此，我们主要讨论“CST微波工作室”，它是一款无源微波器件及天线仿真软件，可以仿真耦合器、滤波器、环流器、隔离器、谐振腔、平面结构、连接器、电磁兼容、IC封装及各类天线和天线阵列，能够给出S参量、天线方向图等结果。 1.2 软件的基本操作 1.2.1 软件界面 启动软件后，可以看到如下窗口：
1.2.2 用户界面介绍
1.2.3 基本操作 1)．模板的选择 CST MWS内建了数种模板，每种模板对特定的器件类型都定义了合适的参数，选用适合自己情况的模板，可以节省设置时间提高效率，对新手特别适用，所有设置在仿真过程中随时都可以进行修改，熟练者亦可不使用模板 模板选取方式：1,创建新项目 File—new 2,随时选用模板 File—select template
2)设置工作平面 首先设置工作平面（E dit-working Plane Properties ） 将捕捉间距改为 1 以下步骤可遵循仿真向导（Help->QuickStart Guide ）依次进行 1）设置单位（Solve->Units ） 合适的单位可以减少数据输入的工作量 模板参数 模板类型
电磁辐射的测量基础知识 1、电磁场的远场和近场划分 电磁辐射源产生的交变电磁场可分为性质不同的两个部分，其中一部分电磁场能量在辐射源周围空间及辐射源之间周期性地来回流动，不向外发射，称为感应场；另一部分电磁场能量脱离辐射体，以电磁波的形式向外发射，称为辐射场。 一般情况下，电磁辐射场根据感应场和辐射场的不同而区分为近区场（感应场）和远区场（辐射场）。由于远场和近场的划分相对复杂，要具体根据不同的工作环境和测量目的进行划分，一般而言，以场源为中心，在三个波长范围内的区域，通常称为近区场，也可称为感应场；在以场源为中心，半径为三个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。 近区场通常具有如下特点： l 近区场内，电场强度与磁场强度的大小没有确定的比例关系。即：E1377H。一般情况下，对于电压高电流小的场源(如发射天线、馈线等)，电场要比磁场强得多，对于电压低电流大的场源(如某些感应加热设备的模具)，磁场要比电场大得多。 l 近区场的电磁场强度比远区场大得多。从这个角度上说，电磁防护的重点应该在近区场。 l 近区场的电磁场强度随距离的变化比较快，在此空间内的不均匀度较大。 远区场的主要特点如下： l 在远区场中，所有的电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播，这种场辐射强度的衰减要比感应场慢得多。 l 在远区场，电场强度与磁场强度有如下关系：在国际单位制中，E=377H，电场与磁场的运行方向互相垂直，并都垂直于电磁波的传播方向。l 远区场为弱场，其电磁场强度均较小 近区场与远区场划分的意义： 通常，对于一个固定的可以产生一定强度的电磁辐射源来说，近区场辐射的电磁场强度较大，所以，应该格外注意对电磁辐射近区场的防护。对电磁辐射近区场的防护，首先是对作业人员及处在近区场环境内的人员的防护，其次是对位于近区场内的各种电子、电气设备的防护。而对于远区场，由于电磁场强较小，通常对人的危害较小。 对我们最经常接触的从短波段30MHz到微波段的3000MHz的频段范围，其波长范围从10米到0.1米。 例：具体辐射源的近场（感应场区）与远场（辐射场区）（l = c / f） 频率 (f) 波长(l) 界限（3l） 50 / 60 Hz 电力 6000 / 5000 km 18000 / 15000 km
第二章电磁散射问题的数值计算 如前所述，电磁数值计算方法的运用，待求场函数的解答将最终归结为离散方程组的求解，此离散方程组在电磁场工程问题中，经常遇到的是线性代数方程组。为使电磁工程计算问题应用数值计算方法解决，必须将实际工程问题进行相关处理，如图1所示： 图2-1 电磁场数值计算流程 图2-1中的“前处理”包括采用一定的方式将所研究的场域离散化。这种离散化的场域划分要适应实际问题“电磁建模”的需要，便于实际问题的电磁数学模型的建立。在“后处理”中人们可依待求问题的性质，给出各种形式的解答（原始数据显示，曲线图表显示，可视化数据图形，数据处理和特征提取等）。 本章概述“前处理”、“电磁场数值计算”和“后处理”在雷达目标电磁散射问题中的内容。 §2.1 电磁散射问题的前处理 对电磁散射问题而言，通常人们关心的问题是雷达目标表面上的感应电流分布，目标近区和远区散射场分布，目标雷达散射截面RCS，目标雷达成像以及雷达目标特征量的提取等。 1. 雷达目标（散射体）分类 在“前处理”中，首先要视目标的几何、物理特征，对目标施以适当的离散化模型。为适合电磁散射问题的求解，我们将散射体按其材料构成，几何形状的复杂程度和目标可探测性三方面进行分类（必须指出，根据求解问题的性质，可以有不同的分类形式）。 ●按材料构成分类 ?完纯导体材料组成的目标（如常规飞行器，坦克，舰艇等） ?介质材料与导电材料组合目标 ?均匀及非均匀吸波材料涂覆的导体目标 ●按目标几何形状的复杂程度分类 ?二维散射体 ?三维散射体 ?简单形状的典型体（如球、柱、椭球、橄榄体、角反射器等） ?复杂形状散射体 ●按目标可探测性分类 ?常规目标（如常规飞行器，常规舰艇等） ?低可探测目标（如隐形飞机F117,YF22，隐形舰艇等） 2. 目标几何建模 目标几何外形的建模就是由数学模型和各种电磁参数来描述目标的外表面、棱边、腔体、非几何连续面等等，是电磁场散射数值计算的前提和基础。目标几何建模的精度与目标的电
ANSYS电磁兼容仿真设计软件 用途：用于电子系统电磁兼容分析，包括PCB信号完整性、电源完整性和电磁辐射协同仿真，数模混合电路的噪声分析和抑制，以及机箱系统屏蔽效能和电磁泄漏仿真，确保系统的电磁干扰和电磁兼容性能满足要求。 一、购置理由 1现代电子系统设计面临越来越恶劣的电磁工作环境，一方面电子系统包括了电源模块、信号处理、计算机控制、传感与机电控制、光电系统及天线与微波电路等部分，系统内部相互不发生干扰，正常工作，本身就非常困难；另一方面，在隐身、电子对抗、静放电，雷击和电磁脉冲干扰等恶劣电磁环境下，设备还需要有足够的抗干扰能力，为电路正常工作留有足够的设计裕量。为了确保xx系统的工作可靠性，设备必须通过相关的电磁兼容标准，如国军标GJB151A，GJB152A。 长期以来，设备的电磁兼容设计和仿真一直缺乏必要的仿真设计手段，只能依赖于设备后期试验测试，不仅测量成本高昂，而且，如果EMI测量超标，后续的查找问题和修正问题基本上依赖于经验和猜测。而解决电磁兼容问题，也只能靠经验进行猜想和诊断，采取的措施也只能通过不断的试验进行验证，这已经成为制约我们产品进度的重要原因。。 2目前我所数字电路设计的经验和手段已经有很大改善，我们在复杂PCB布线、高速仿真方面取得了很多的成果和经验，并且已经开
始高速通道设计的预研。在相关PCB布线工具的帮助下，将复杂的多电源系统PCB布通，确保集成电路之间的正确连接已经基本上没有问题。但是随着应用深入，也存在一些困难，特别在模拟数字转换、高速计算与传输PCB和系统的设计中，我们不仅要保证电路板的正常工作，还要提高关键性的技术指标，例如数模转换电路的有效位数、信号传输系统的速率和误码率等，此外，还要满足整个卫星电子系统的电磁兼容/电磁干扰要求，为此，我们迫切需要建立的仿真功能包括： ●高速通道中，连接器，电缆等三维全波精确和建模仿真， 这些结构的寄生效应对于信号的传输性能有至关重要的影 响； ●有效的PCB电源完整性分析工具，对PCB上的电源、地等 直流网络的信号质量进行仿真 ●为提高仿真精度，需要SPICE模型，IBIS模型和S参数模 型的混合仿真 ●需要同时进行时域和频域仿真和设计，观察时域的眼图、 误码率，调整预加重和均衡电路的频域参数，使得信号通道 的物理特性与集成电路和收/发预加重、均衡等相配合，达到 系统性能的最优 ●有效的PCB的辐射控制与仿真手段，确保系统EMI性能达 标。 现在EDA市场上已经有一些SI/PI和EMI/EMC仿真设计工具，但存在多方面的局限性。我们的PCB布线工具虽然能解决一定的问题，
电磁散射边界元作业 10级电磁场专业 1．已知正方形柱的Ⅰ，Ⅲ边界的,ⅡⅣ边界的，求Ⅰ，Ⅲ边界的和 ⅡⅣ边界的。 参考文献：《边界元法基础》上海交大出版社王元淳 Page20-24 参考资料分析了H，K矩阵元素的求法，其中对角元素 为边界元素的长度。非对角元素，其中为P（i）点到P（j）点的距离， 为P（i）点到含P（j）点边界单元的垂直距离。求解出H，K矩阵后利用 求出未知边界条件 MATLAB程序： % BEM.m % 本程序用边界元方法求解正方形柱体内电位分布 clear;clc; t1=cputime; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% 1.常数定义 a=6; % 正方形长 N=3; % 每边分段数
step=a/N; % 每段长度 TOTAL=N*4; % 共剖分成TOTAL段 C=1/2; % 常数定义 NN=100; % 积分离散精度 V_L=300; % 已知电压矩阵 test_x=a/2; % 方形内部任意一点X坐标 test_y=a/2; % 方形内部任意一点Y坐标%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% 2.坐标定位,计算各段中点对应的坐标 % 以方柱左下角为坐标原点建立坐标系 % 方柱左右两边X为常数,方柱上下两边Y为常数 for i=1:TOTAL; if i
第34卷增刊JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY V ol.34 Sup. 三维复杂目标电磁散射的FDFD分析 胡晓娟，葛德彪 （西安电子科技大学 物理系, 陕西 西安 710071） 摘要：根据Yee元胞中电场分量的分布特点，对矢量Helmholtz方程进行差分离散，得到关于各电场节点的FDFD 方程式。基于等效原理，在总场－散射场（TF/SF）边界处设置等效电磁流，通过将TF/SF边界附近各电场节点 FDFD方程式中的相关节点加上或减去相应的入射场，将平面波引入总场区。导体立方体表面电流幅值与相位分 布的计算结果与文献结果的比较验证了该方法的正确性。 关键词：频域有限差分（FDFD）方法；电磁散射；复杂目标；TF/SF方法 中图分类号：TN011 文献标识码：A 文章编号：1001-2400(2007)S1-0132-04 3D FDFD analysis of electromagnetic scattering from a complex target HU Xiao-juan，GE De-biao (Department of Physics, Xidian University, Xi’an 710071, China) Abstract: The finite-difference frequency-domain (FDFD) equations of electronic field nodes are derived by differentiating the Helmholtz equation, based on the distribution of electric field nodes in Y ee cells. Based on the equivalence principle, the incident wave is introduced in the total-field region by setting equivalent electromagnetic currents on the total-field/scattered-field (TF/SF) boundary. The FDFD equations of the nodes located near the TF/SF boundary are modified to fulfill the conditions that all nodes involved belong either to the total-field or to the scattered-field. The method is validated by comparing the amplitude and phase of the surface current on a perfectly electronic conductor cube, which are calculated by the FDFD method, with the result presented in the literature. Key Words: FDFD method；electromagnetic scattering； complex targets；TF/SF technique 近年来，一种基于Y ee算法原理的频域数值方法——频域有限差分（FDFD）方法[1]得到了迅速发展。该方法采用Y ee元胞对目标进行网格化剖分，并将各元胞赋予相应的电磁参数进行建模，可以方便地分析复合目标的电磁散射问题。根据Y ee元胞中各电场分量的分布特点，通过将矢量Helmholtz方程进行差分离散得到了关于各电场节点的FDFD方程式。基于FDTD方法中通过总场－散射场(TF/SF)[2，3]边界引入入射波的思想，分析了FDFD方法中如何通过TF/SF边界将入射波引入总场区。导体立方体表面电流幅值及相位分布的计算结果与文献结果的比较验证了这种方法。最后用该方法计算了某导弹模型的双站散射特性，显示了这种方法在处理复合目标电磁散射时的优越性。 1三维FDFD中入射波的引入及矩阵方程求解 1.1FDFD基本方程式 矢量Helmholtz方程为 —————————————— 收稿日期：2007-06-08 基金项目：国防预研基金资助 作者简介：胡晓娟（1979-），女，西安电子科技大学博士研究生。
电磁场仿真软件简介 随着电磁场和微波电路领域数值计算方法的发展，在最近几年出现了大量的电磁场和微波电路仿真软件。在这些软件中，多数软件都属于准3维或称为2.5维电磁仿真软件。例如，Agilent公司的ADS（Advanced Design System）、AWR公司的Microwave Office、Ansoft公司的Esemble、Serenade和CST公司的CST Design Studio等。目前，真正意义上的三维电磁场仿真软件只有Ansoft公司的HFSS、CST公司的Mafia、CST Microwave Studio、Zeland公司的Fidelity和IMST GmbH公司的EMPIRE。从理论上讲，这些软件都能仿真任意三维结构的电磁性能。其中，HFSS（HFSS是英文高频结构仿真器（High Frequency Structure Simulator）的缩写）是一种最早出现在商业市场的电磁场三维仿真软件。因此，这一软件在全世界有比较大的用户群体。由于HFSS进入中国市场较早，所以目前国内的电磁场仿真方面HFSS的使用者众多，特别是在各大通信技术研究单位、公司、高校非常普及。 德国CST公司的MicroWave Studio（微波工作室）是最近几年该公司在Mafia软件基础上推出的三维高频电磁场仿真软件。它吸收了Mafia软件计算速度快的优点，同时又对软件的人机界面和前、后处理做了根本性的改变。就目前发行的版本而言，CST 的MWS的前后处理界面及操作界面比HFSS好。Ansoft也意识到了自己的缺点，在刚刚推出的新版本HFSS（定名为Ansoft HFSS V9.0）中，人机界面及操作都得到了极大的改善。在这方面完全可以和CST媲美。在性能方面，两个软件各有所长。在速度和计算的精度方面CST和ANSOFT成绩相差不多。值得注意的是，MWS采用的理论基础是FIT（有限积分技术）。与FDTD（时域有限差分法）类似，它是直接从Maxwell 方程导出解。因此，MWS可以计算时域解。对于诸如滤波器，耦合器等主要关心带内参数的问题设计就非常适合；而HFSS采用的理论基础是有限元方法(FEM)，这是一种微分方程法，其解是频域的。所以，HFSS如果想获得频域的解，它必须通过频域转换到时域。由于，HFSS是用的是微分方法，所以它对复杂结构的计算具有一定的优势。 另外，在高频微波波段的电磁场仿真方面也应当提及另一个软件：ANSYS 。ANSYS是一个基于有限元法(FEM)的多功能软件。该软件可以计算工程力学、材料力学、热力学和电磁场等方面的问题。它也可以用于高频电磁场分析（应用例如：微波辐射和散射分析、电磁兼容、电磁场干扰仿真等）。其功能与HFSS和CST MWS类似。但由于该软件在建模和网格划分过程中需要对该软件的使用规则有详细的了解，因此，对一般的工程技术人员来讲使用该软件有一定困难。对于高频微波波段通信、天线、器件封装、电磁干扰及光电子设计中涉及的任意形状三维电磁场仿真方面不如HFSS更专业、更理想。实际上，ANSYS软件的优势并不在电磁场仿真方面，而是结构静力/动力分析、热分析以及流体动力学等。但是，就其电磁场部分而言，它也能对任意三维结构的电磁特性进行仿真。 虽然，Zeland公司的Fidelity和IMST GmbH公司的EMPIRE也可以仿真三维结构。
矩量法在电磁散射中的应用 一矩量法在电磁散射问题中的应用 电磁散射问题是电磁学中的一个重要研究领域，研究电磁波的散射机理以及计算其散射场强的大小与分布，具有十分重要的实际意义。矩量法作为一种有效的数值计算方法在其中有着广泛的应用。但作为一种计算方法它也有着自己的缺陷，为了解决这些问题，人们提出了各种方案，矩量法在这个过程中也获得了很大的发展。 MoM(Method of Moments)原本是一种近似求解线性算子方程的方法，通过它可以将算子方程转化为一矩阵方程，进而通过求解此矩阵方程得到最终的近似解。MoM最早是由两位数学家L. V. Kantorovich和V. I．Krylov提出的，后来由K．K．Mei引入计算电磁学，最终被R．F. Harryington在其著作《计算电磁场中的矩量法》中加以系统描述。利用矩量法求解电磁问题的主要优点是：它严格地计算了各个子系统间的互耦，而算法本身又从根本上保证了误差系统总体最小而不产生数值色散。如今MoM被广泛应用于计算电磁学中，虽然它不能处理电大尺寸目标的电磁问题，但基于MoM的各种加速方法仍受到极大重视，如多层快速多极子方法MLMFA等。 电磁散射问题是电磁学中的一个重要研究领域，研究电磁波的散射机理以及计算其散射场强的大小与分布，具有十分重要的实际意义。在实际生活中，遇到的散射目标往往不仅具有复杂的几何形状，而且构成
的材料也各不相同。因此对复杂目标的电磁散射特性进行快速、高效的分析，具有重要的理论意义和实用价值。 电磁散射问题只有在相对简单的情况下才可以用严格的解析法来求解，比如对极少数形状规则的物体。对于电大物体，可以用高频近似方法，例如几何光学法(GO)、物理光学法(PO)、几何绕射理论(GTD)、物理绕射理论(PTD)、一致性几何绕射理论(UTD)、复射线法(CT)等来求解散射场。反之，对于电小物体，可以用准静态场来进行分析。介乎这两者之间的物体，一般采用数值方法。目前分析电磁散射问题的数值方法主要有微分方程法和积分方程法。微分方程法有有限差分法(FDM)、时域有限差分法(FDTD)、频域有限差分法(FDFD)、时域平面波法(PWTD)、时域多分辨分析法(MRTD)、有限元法(FEM)、传输线矩阵法(TLM)等，积分方程法有表面积分方程法(SIEM)、矩量法(MOM)、边界元法(BEM)、体积分方程法(VIEM)、快速多极子法(FMM)、时域积分方程法(IETD)等。这些方法各有优缺点，有的是为了避免矩阵求逆，有的是为了加快收敛，有的是为了提高精度，还有的是为了减少贮存等。它们被广泛应用于求解复杂的工程电磁场问题中。应用微分方程法求解电磁散射问题时，由于散射体的外空间为无限大，需要人为设置截断边界使求解区域有限，这种截断边界的引入会导致非物理的反射现象。矩量法是一种将连续方程离散化成代数方程组的方法，经常被看作数值“精确解”。它既适用于电磁场积分方程又适用于微分方程，由于已经有有效的数值计算方法求解微分方程，所以目前矩量法大都用来求解积分方程。由于此方法能解决边界比较复杂的一些问题，因而得到了广泛的应用。需要注意的是，
电磁散射与隐身技术导论课程大作业报告 学院：电子工程学院 专业：电子信息工程 班级： 0210** 学号： 0210**** 姓名： ****** 电子邮件： 日期： 2018 年 07 月 成绩： 指导教师：姜文
雷达目标RCS近远场变换 在现代军事领域中，隐身技术和反隐身技术是重中之重，研究隐身和反隐身技术就要研究目标的电磁散射特性。雷达散射截面（RCS）是评价目标散射特征的最基本参数之一，其计算和测量的研究具有重要意义。计算方法有解析方法，精确预估技术和高频近似方法等。根据测量方式的不同，可以分为远场测量、近场测量和紧缩场测量。远场测量在室外进行，虽然能直接得到目标RCS，但是条件难以满足(满足远场条件时，被测目标与天线间的距离非常大)，相比之下，在微波暗室中进行的近场测量由于采用缩比测量的方法更容易满足测试条件。相对于紧缩场测量，近场测量的精度更高，成本也有所降低，于是近场测量越来越成为研究的一个重点。近场测试到的雷达回波信号并不是工程中所关心的RCS，而如何由近场测量数据得到目标RCS，则是必须要解决的问题。 为了得到目标RCS，将目标等效为一维分布的散射中心，并忽略了散射中心与雷达之间的相互影响，忽略散射中心与测试环境之间的相互影响。根据雷达回波信号，研究了一种利用雷达近场数据来估计目标总的RCS的方法。推导了算法的具体过程，将研究重点放在了算法的核心——权重函数上。分别仿真了单站正视，单站侧视，对称双站，不对称双站几种情况下权重函数的特性，具体表现为不同参数对权重函数幅度和相位的影响。基于仿真结果，提出了用定标来求得权重函数的方法。并用不同尺寸的金属球作为实验目标，采用某一个金属球理论RCS 值来定标，求得权重函数之后，用此算法变换出目标的RCS，并与其理论值做比对，验证了算法的可行性。 一、雷达截面的研究背景、发展现状 隐身和反隐身技术作为现代战争中电子高科技对抗的重要领域，一直都是各国军事研究的重点，随着各种精确制导武器和探测系统研制成功，隐身技术和反隐身技术越发重要。在军事应用中，希望己方的武器隐身性能尽可能好，并且能尽可能的探测到敌方的隐身目标。这就是必须研究隐身技术和反隐身技术最主要的原因，隐身技术与反隐身技术都必须研究目标的雷达散射特性，隐身技术是让目标的散射尽可能的小，反隐身技术则是尽量能够接收到目标的回波信号，因此要研究隐身和反隐身技术就要研究目标的电磁散射特性。隐身技术和反隐身技术
矩量法在电磁散射问题中应用的发展 摘要： 电磁散射问题是电磁学中的一个重要研究领域，研究电磁波的散射机理以及计算其散射场强的大小与分布，具有十分重要的实际意义。矩量法作为一种有效的数值计算方法在其中有着广泛的应用。但作为一种计算方法它也有着自己的缺陷，为了解决这些问题，人们提出了各种方案，矩量法在这个过程中也获得了很大的发展。 关键词：电磁散射，矩量法（MoM） MoM(Method of Moments)原本是一种近似求解线性算子方程的方法，通过它可以将算子方程转化为一矩阵方程，进而通过求解此矩阵方程得到最终的近似解。MoM最早是由两位数学家L. V. Kantorovich和V. I．Krylov提出的，后来由K．K．Mei引入计算电磁学，最终被R．F. Harryington在其著作《计算电磁场中的矩量法》中加以系统描述。利用矩量法求解电磁问题的主要优点是：它严格地计算了各个子系统间的互耦，而算法本身又从根本上保证了误差系统总体最小而不产生数值色散。如今MoM被广泛应用于计算电磁学中，虽然它不能处理电大尺寸目标的电磁问题，但基于MoM的各种加速方法仍受到极大重视，如多层快速多极子方法MLMFA等。[1] 电磁散射问题是电磁学中的一个重要研究领域，研究电磁波的散射机理以及计算其散射场强的大小与分布，具有十分重要的实际意义。 在实际生活中，遇到的散射目标往往不仅具有复杂的几何形状，而且构成的材料也各不相同。因此对复杂目标的电磁散射特性进行快速、高效的分析，具有重要的理论意义和实用价值。 电磁散射问题只有在相对简单的情况下才可以用严格的解析法来求解，比如对极少数形状规则的物体。对于电大物体，可以用高频近似方法，例如几何光学法(GO)、物理光学法(PO)、几何绕射理论(GTD)、物理绕射理论(PTD)、一致性几何绕射理论(UTD)、复射线法(CT)等来求解散射场。反之，对于电小物体，可以用准静态场来进行分析。介乎这两者之间的物体，一般采用数值方法。 目前分析电磁散射问题的数值方法主要有微分方程法和积分方程法。微分方程法有有限差分法(FDM)、时域有限差分法(FDTD)、频域有限差分法(FDFD)、时域平面波法(PWTD)、时域多分辨分析法(MRTD)、有限元法(FEM)、传输线矩阵法(TLM)等，积分方程法有表面积分方程法(SIEM)、矩量法(MOM)、边界元法(BEM)、体积分方程法(VIEM)、快速多极子法(FMM)、时域积分方程法(IETD)等。这些方法各有优缺点，有的是为了避免矩阵求逆，有的是为了加快收敛，有的是为了提高精度，还有的是为了减少贮存等。它们被广泛应用于求解复杂的工程电磁场问题中。 应用微分方程法求解电磁散射问题时，由于散射体的外空间为无限大，需要人为设置截断边界使求解区域有限，这种截断边界的引入会导致非物理的反射现象。矩量法是一种将连续方程离散化成代数方程组的方法，经常被看作数值“精确解”。它既适用于电磁场积分方程又适用于微分方程，由于已经有有效的数值
电磁场仿真软件教程 随着电磁场和微波电路领域数值计算方法的发展，在最近几年出现了大量的电磁场和微波电路仿真软件。在这些软件中，多数软件都属于准3维或称为2.5维电磁仿真软件。例如，Agilent 公司的ADS（Advanced Design System）、AWR公司的Microwave Office、Ansoft公司的Esemble、Serenade和CST公司的CST Design Studio等。目前，真正意义上的三维电磁场仿真软件只有Ansoft公司的HFSS、CST公司的Mafia、CST Microwave Studio、Zeland公司的Fidelity和IMST GmbH公司的EMPIRE。从理论上讲，这些软件都能仿真任意三维结构的电磁性能。其中，HFSS （HFSS是英文高频结构仿真器（High Frequency Structure Simulator）的缩写）是一种最早出现在商业市场的电磁场三维仿真软件。因此，这一软件在全世界有比较大的用户群体。由于HFSS进入中国市场较早，所以目前国内的电磁场仿真方面HFSS的使用者众多，特别是在各大通信技术研究单位、公司、高校非常普及。 德国CST公司的MicroWave Studio（微波工作室）是最近几年该公司在Mafia软件基础上推出的三维高频电磁场仿真软件。它吸收了Mafia软件计算速度快的优点，同时又对软件的人机界面和前、后处理做了根本性的改变。就目前发行的版本而言，CST的MWS的前后处理界面及操作界面比HFSS好。Ansoft也意识到了自己的缺点，在刚刚推出的新版本HFSS （定名为Ansoft HFSS V9.0）中，人机界面及操作都得到了极大的改善。在这方面完全可以和CST媲美。在性能方面，两个软件各有所长。在速度和计算的精度方面CST和ANSOFT 成绩相差不多。值得注意的是，MWS采用的理论基础是FIT（有限积分技术）。与FDTD（时域有限差分法）类似，它是直接从Maxwell方程导出解。因此，MWS可以计算时域解。对于诸如滤波器，耦合器等主要关心带内参数的问题设计就非常适合；而HFSS采用的理论基础是有限元方法(FEM)，这是一种微分方程法，其解是频域的。所以，HFSS如果想获得频域的解，它必须通过频域转换到时域。由于，HFSS是用的是微分方法，所以它对复杂结构的计算具有一定的优势。 另外，在高频微波波段的电磁场仿真方面也应当提及另一个软件：ANSYS 。ANSYS是一个基于有限元法(FEM)的多功能软件。该软件可以计算工程力学、材料力学、热力学和电磁场等方面的问题。它也可以用于高频电磁场分析（应用例如：微波辐射和散射分析、电磁兼容、电磁场干扰仿真等）。其功能与HFSS和CST MWS类似。但由于该软件在建模和网格划分过程中需要对该软件的使用规则有详细的了解，因此，对一般的工程技术人员来讲使用该软件有一定困难。对于高频微波波段通信、天线、器件封装、电磁干扰及光电子设计中涉
图1 WYJ-15型直流稳压电源 附录一. 电磁学实验基础知识 Appendix1 Elementary Knowledge of Electromagnetic Experiment 电磁测量是现代生产和科学研究中应用很广的一种实验方法和实用技术。除了测量电磁量外，它还可通过换能器把非电量变为电量来进行测量。物理课程中电磁学实验的目的，是学习电磁学中常用的典型测量方法（如伏安法、电桥法、电位计法、冲击法等），进行实验方法和实验技能的训练，培养看图、正确连接线路和分析判断实验故障的能力；同时，通过实验的观测，深入认识和掌握电磁学理论的基本规律。 一、 电源Current power 电源是把其他形式的能量转变为电能的装置。电源分为直流和交流两类： 1． 直流电源Direct current power 常用的直流电源有干电池、晶体管直流稳压电源和铅蓄电池。直流稳压电源 的型号繁多，外形各异，但结构上都是由变压器、晶体管、电阻和电容等电子元件按一定的线路组装而成的。它的电压稳定性好，内阻小，功率较大，使用方便。只要接到交流220V 电源上，就能输出连续可调的直流电压（输出电压和电流的大小可由仪器上的电表读出）。使用时，要注意它的最大允许输 出电压和电流，切不可超过。我们实验室里常用的是WYJ-15型直流稳压电源，其面板如图1所示，最大允许输出电压为15V ，最大允许输出电流为3A 。每个铅蓄电池的正常电动势为2V ，额定供电电流约为2A ，多个并联可得较大电流，输出电压比较稳定。使用时要注意，当它的电动势降低到1.8V 时，应及时充电，蓄电池即使未用也需要每隔2~3星期充电一次。
各种计算电磁学方法比较和仿真软件 各种计算电磁学方法比较和仿真软件微波EDA 仿真软件与电磁场的数值算法密切相关，在介绍微波EDA 软件之前先简要的介绍一下微波电磁场理论的数值算法。所有的数值算法都是建立在Maxwell 方程组之上的，了解Maxwell 方程是学习电磁场数值算法的基础。计算电磁学中有众多不同的算法，如时域有限差分法（FDTD ）、时域有限积分法（FITD ）、有限元法（FE）、矩量法（MoM ）、边界元法（BEM ）、谱域法（SM）、传输线法（TLM ）、模式匹配法（MM ）、横向谐振法（TRM ）、线方法（ML ）和解析法等等。在频域，数值算法有：有限元法（ FEM -- Finite Element Method）、矩量法（MoM -- Method of Moments ），差分法（ FDM -- Finite Difference Methods ），边界元法（ BEM --Boundary Element Method ），和传输线法 （ TLM -Transmission-Line-matrix Method ）。在时域，数值算法有：时域有限差分法（ FDTD - Finite Difference Time Domain ），和有限积分法（ FIT - Finite Integration Technology ）。这些方法中有解析法、半解析法和数值方法。数值方法中又分零阶、一阶、二阶和高阶方法。依照解析程度由低到高排列，依次是：时域有限差分法（FDTD ）、传输线法（TLM ）、时域有限积分法（FITD ）、有限元法（FEM ）、矩量法（MoM ）、线方法（ML ）、边界元法（BEM ）、谱域法（SM ）、模式匹配法
平衡流场的再入飞行器电磁散射特性分析当具有极高速度(如10个马赫数以上)的飞行器再入大气层时,由于目标与空气摩擦将产生高达几千摄氏度的气动热,使周围的气体发生电离,导致飞行器附近空气呈离子状态存在,形成等离子体鞘套和冗长的等离子尾流。尽管作为一种色散介质的等离子体具有“通高频、阻低频”的特性,即大于等离子体频率的电磁波可以在等离子体中传播,而小于等离子体频率的电磁波被等离子体反射,但对再入飞行器来说,不同的再入速度对等离子体尾流会产生何种影响,等离子体尾流内的电子密度会达到何种量级,高电子密度的等离子体尾流对低频电磁波能否表现出强散射特性,从而有利于雷达的探测与识别,这些都是研究再入飞行器电磁散射特性时值得深入探讨的问题。 早在20世纪60年代初国外就已开展了与等离子体尾流相关的研究,鉴于等离子体尾流情况复杂。在理论研究方面,有用Born近似方法计算等离子体尾流的电磁散射特性,建立了再入尾流散射的畸变波Born近似模型。21世纪初期,国内学者也基于Born近似方法开展了大量有关再入段等离子体尾流散射特性的研究,但由于Born近似方法更适合于计算亚密(等离子体频率小于雷达波工作频率)状态下等离子体与雷达波的相互作用。因此,研究的频段主要集中在L和S波段。近年来,也有一些国内外学者利用电磁场数值计算方法研究了等离子体与电磁波的相互作用机理及其电磁特性,但利用该方法研究 再入飞行器等离子体尾流低频电磁散射特性的论文却鲜见发表。因此,本文根据再入飞行器的物理现象,将平衡流场的计算方法与电磁散射
数值计算方法相结合,用于再入飞行器低频电磁散射问题的分析。首先借助真实气体效应情况下等离子体流场计算方法,获得锥球形目标再入时接近于真实尾流的非均匀等离子体分布,然后利用移位算子时域有限差分法(finite difference time domain FDTD)计算和分析锥球形目标以零攻角再入时的低频电磁散射特性,最后给出了一些有价值的结论。 一、再入飞行器周围等离子体流场计算方法。 等离子体作为一种特殊的色散介质,若不考虑外加磁场,与其介电常数有关的参数有入射电磁波频率ω、等离子体振荡频率p ω和等离子体碰撞频率v ，即 21()p r jv ωεωω=- - (1) 式中 ,p ω=;N 为等离子体中自由电子密度,e 为电子电量;m 为电子质量;0ε为真空中介电常数。由此可见,在对再入飞行器进行电磁散射建模时,必须首先计算得到飞行器周围等离子体的流场特性,如内部自由电子密度等。 当飞行器以超音速再入时,稳定的空气被排挤开,但由于空气是按音速传播压力,因此被排挤的空气以高于音速的速度被强行挤压而形成激波。空气受到激波的强烈压缩和粘性的剧烈摩擦,激波层内的温度迅速升高,可达数千度,驻点区域甚至达到10 000 K 以上。在如此高的温度条件下,空气内部中不仅分子的平动能、转动能被激发,甚至振动能也将被激发,而且还会发生气体分子的离解和电离,气体
复杂三维目标的宽带电磁散射计算 田蜜 电子科技大学电子工程学院，成都（610054) E-mail: leontian125@https://www.doczj.com/doc/787941572.html, 摘要：本文首先介绍宽带电磁散射的主要方法及其国内外发展现状，分析各种方法的优缺点，指出采用频域法在计算复杂三维目标宽带电磁散射方面的优势。然后推导采用频域法计算宽带电磁散射的基本原理，最后通过算例分析证明频域法的有效性和精确性，并且证明能够采用频域法计算复杂三维目标的宽带电磁散射。 关键词：宽带电磁散射；复杂三维目标；频域法 1．引言 近年来，与电磁脉冲有关的时域电磁场（又称为瞬变电磁场或脉冲电磁场）的研究越来越受到人们重视[1]。由于对模拟超宽带信号和非线性系统需求日益增加，急需找到一种算法能够快速、精确、稳定和高效地模拟和分析瞬态响应。现代的超宽带天线（如合成孔径雷达、探地雷达、电磁兼容、隐身以及反隐身）的研究，生物电磁学的研究、非线性电路的分析以及瞬态测井仪器的设计等都提出了迫切的要求。所以，在计算电磁学的很多领域，传统的点频法或者窄频带方法已经不能满足需要，人们开始把注意力转向具有宽带电磁散射的研究。 目标的宽带电磁散射特性可以借助实验进行研究，但通过测量方法来获取目标散射特性受测试目标大小、属性、类别限制和测试设备、测试场地、测试环境等诸多因素的影响，而且测试费用极大。所以采用计算电磁学的方法来模拟分析和预估目标的宽带电磁散射特性成为研究的一种重要的手段。 2．分析宽带电磁散射的基本方法 与宽带电磁散射的主要特性相对应，分析宽带电磁散射的主要方法分为直接时域法（简称时域法法）、变换频域法（简称频域法）和时频互推的方法。 2.1 时域法 时域法是指直接在时域-空间域求解的方法。首先计算目标的时域响应，由时域信号包含的信息经过傅立叶变换，可以得到频域上宽带的特征信息。时域法主要包括两大类：基于积分方程的方法和基于微分方程方法。其中最具代表性应用也最广泛的有三种：时域有限元方法[2]、时域有限差分方法[3]和时域表面积分方程方法[4]。 直接采用时域法的计算结果可以直接给出各采样时刻的空间场分布情况，在一定程度上节省计算时间，但是缺点是对于新的外加激励，必须重复全部计算，另外，以上方法各自在精度和适用范围等方面也存在很大的缺点，极大地受到计算量和存储量的限制，它们都不能用于计算复杂三维目标的宽带电磁散射问题。 2.2 频域法 频域法[5]是指在频域计算逐个频率求得目标在一定带宽范围的解析解或数值解，由时频对应关系，其结果可以通过逆傅立叶变换得到目标的瞬态响应。具体步骤是首先通过在频域求解麦克斯韦方程组，得到电磁散射的频域解，然后采用逆傅立叶变换将目标的频域响应变换到时域。这种方法与直接计算宽带时域解相比具有以下优点：一旦得到了目标物体在宽带
常用的高频电磁场仿真软件有下面这些： Ansoft HFSS、Designer、Emsenble。ansoft一贯使用FEM（有限元法），HFSS在中国大陆有绝对的市场份额。一直被大家认为电小不错，电大不行。一年一来一直致力于推翻大家这种印象。终端仿真里面面，我们认为网络参数相对还是比较正确的，但是场参数有时候就不是那么令人满意了。例如，建模一个dipole，在大部分关键的己方加了很多人工干预网哥划分，但是，增益和pattern的波束角宽都差挺多的。手机天线仿真经常是百分之一百零几的效率。在9.1版里results里就不得不多加了realized gain 这个选项，把gain这个选项的值打个折扣给你：） CST的Microwave Studio，一直大家一位是fdtd，其实它是时域积分法（FITD），当然其实不是原则上的不同。和FEM方法不同，FDTD或者FITD都是先在时域计算，用一个宽频谱的激励信号（方波或者高斯波都有）去激励模型，在时域计算然后去反演到频域。系统的网络参数和场参数基本上是反演后的得到的。特点是可以计算相当大的带宽结果，而不需要象用ansoft，可能要把大带宽分割后分别仿真。CST计算过程中，由于没有FEM计算过程中矩阵求逆过程，计算时间和网格数成线性增长关系，而FEM 的是指数增长关系。CST的MWS从4.3版起，开始有了大小网格嵌套技术，在曲面上细化六面体网格逼进曲面。这是其它FDTD套件所没有的。CST的MWS最大的问题是不象ansoft的那么傻瓜化，很多参数即使看了help也不是很能让人理解。如果很深入了解MWS内部细节，估计可以一次性不用收敛做出完美的仿真。我们曾经用完全相同的模型分别在ansoft和CST运行，结果双频天线CST结果低频比ansoft结果高。而高频又比ansoft结果低。但是场参数就可靠得多了，一个加上塑胶外壳参数、电池、屏蔽罩等器件的模型，天线在谐振点就是比较真实的百分之四、五十。韩国都用CST，没有什么人用ansoft。 Zeland IE3D，矩量法（MoM）。IE3D可能是最好的商业MoM套件。MoM原理相对简单，且计算速度极快。IE3D比较适合2.5维情形，例如算算PCB或者微带天线比较合适，算复杂3D结构力不从心。但是，手机PIFA的计算就比较适合用IE3D。不是用于做天线项目仿真，而是用于研究天线的基本特征，天线和PCB如何相互耦合、PCB上激发的表面电流走向等原型阶段的预研。 Zeland Fidelity，FDTD法，相比IE3D名气小，用的人也不多。没有CST大小网格嵌套。这里补充一句，所有的FDTD套件都是采用PML方法的。 XFDTD，有名的FDTD套件。经常和很多测试SAR的硬件系统联系在一起，在加载人体电磁模型后可以计算SAR值。缺点是天线Pattern没有3D显示，只有2D截面。这个缺点最好能在新版本中改进。SemCAD，也是FDTD套件。没有比XFDTD等有太多优势，也有被用来计算SAR的。好像也有用来作系统EMC计算。 IMST Empire，FDTD套件。非常优秀的高频电磁场套件，德国人的东西。获得欧洲多次仿真大赛的优胜，仿真题目是一个Vivalti天线，速度最快，又最准确。但是正如德国人的问题，好是好，但又有太过明显缺陷。建模法实在是太复杂了，我学了三次都没有真正学会。最后没有时间只好放弃。 FEKO，用Ansys接口的软件，使用混和MoM，多层快速多极子（这个我只知道名称了），几何光学和射线追踪法等，可以计算非常复杂的3D结构和环境，擅长电大尺寸。常被用做飞机电磁性能的建模和仿真。 Sonnet，MoM方法。这个就不太熟了。 SuperNEC，MoM法，要使用MatLab平台。这个会限制它的计算速度，因为MatLab是行解释型的，代码不编译。 ADF－EMS，才听说的软件套件。意大利公司的产品，以前是对中国禁运的软件。据说是因为太专业太有用了，是航天器卫星、兵器等电磁仿真的利器。现在正在逐步对中国企业开放。但是如果是研究所或者国营机构去买，也还是不卖。报价是ansoft等套件的10倍以上。 Aplac，据说Nokia公司的人用这个作电磁场仿真。只是接触过他们的一个Sales，看过一点资料，主要是电路和系统级的。电磁场模块fdtd的，建模巨复杂。其它的都不清楚。 CFDTD，全名Conformal FDTD，中国人编的商业套件。据说业界还有好评。但是看来商业做得不好，