基于fdtd算法的移动通信天线设计 学位论文

电磁场期末课题报告FDTD数值计算在微带天线分析中的应用合作成员：竺可桢学院：混合005班张丹（3003001102）混合007班邓坚（3003001152）分工情况：张丹（3003001102）：负责理论阐述，公式推导，理论计算邓坚（3003001152）：负责程序实现，matlab 仿真日期：2003年1月8日目录时域有限差分基本知识概述 (3)标量麦克斯韦方程 (4)FDTD方程 (6)解的稳定条件 (9)边界条件 (12)激励源的类型 (14)时域有限差分在微带天线中的应用 (15)微带贴片天线数值模拟的若干问题 (16)微带天线FDTD数值计算模拟实例 (21)微带天线数值计算的基本理论介绍 (21)激励源的设置 (22)边界的处理 (22)散射效应 (25)有效长度，有效宽度以及谐振频率 (27)程序原代码 (29)Main函数部分 (29)Coefficient函数部分 (40)FT函数部分 (51)Impendence函数部分 (55)output函数部分 (61)parameter函数部分 (62)pattern函数 (65)图形显示程序 (71)程序分析 (74)信号源 (74)参数计算 (74)场量的计算 (75)等效电阻的计算 (77)傅立叶变换 (77)空间的方向图 (78)部分语句的诠释 (80)程序结果 (81)方向图 (82)4个面上的辐射方向的截面图 (83)心得体会 (84)参考文献 (85)FDTD 数值计算在微带天线分析中的应用时域有限差分基本知识概述时域有限差分（FDTD ）方法是60年代由K.S.Yee 首先提出来，不仅在三维空间对场量离散，而且在时间轴上也对场量离散，并且用差分代替微分，得到麦克斯韦方程在一定边值与初值条件下的近似解。

作为麦克斯韦方程的基本方程取为：HE t μ∂∇⨯=-∂(1.1) DH t∂∇⨯=∂ (1.2) 式中：D E ε=∙ 了解E 和D 及H 和B 的关系很重要。

一种基于FDTD 的简单有效的天线阻抗计算方法李朝伟，吕善伟（北京航空航天大学电子工程系，北京100083）摘要：本文从有源区的软激励时Yee 差分方程出发，推导了一种适用于理想的间隙激励（!-gap source ）和探针激励的天线输入阻抗新的计算公式，该方法简洁、有效，公式物理意义明确，能够有效地消除硬激励（hard source ）.计算天线阻抗时，在频率很低接近零时阻抗值的严重失真，使得应用时域有限差分法计算天线输入阻抗变得更加快捷适用.最后，本文应用该方法分别计算了一个单极子天线和同轴馈电的微带天线，单极子天线的计算结果和前人的计算结果吻合得很好，并且消除了频率接近零时以前计算结果的严重失真，微带天线和已有软件的计算结果进行了比较，得到了满意的结果.关键词：时域有限差分法；天线阻抗；单极子天线阻抗；微带天线阻抗中图分类号：TM15文献标识码：A文章编号：0372-2112（2001）12-1635-03FDTD Calculation of Antenna lmpedance by a Simple and Efficient MethodLI Chao-wei ，LU Shan-wei（Bei ing Uniuersity of Aeronautics and Astronautics ，Bei ing 100083，China ）Abstract ：A new formula ，which is based on !-gap and probe sources ，to calculate the antenna input impedance using the FDTD method is derived from Yee ’s difference eguation.It is very simple and efficient ，and reduces the errors of antenna impedance at the low freguencies near zero.The method makes it easy to calculate antenna input impedance.To check the validity of such method ，a monopole antenna on a box is simulated using FDTD ，and the result shows that the errors of antenna impedance at the low freguen-cies disappear.A patch antenna fed by coaxial line is also calculated ，and result has a good agreement with that by another software.Key words ：FDTD ；antenna impedance ；monopole antenna impedance ；microstrip antenna impedance!引言时域有限差分法是近年来发展很快的一种电磁场数值计算方法［1，2］.这种方法应用于天线分析与设计较晚.天线的输入阻抗是一个重要的参数，对它的计算方法始终受到人们的关注.最早将FDTD 引入天线分析的是A.Reineix 和Malone et al.［3，4］，他们均计算了天线方向图和输入阻抗但采用了不同的方法.文献［4］应用FDTD 方法计算一个无限大接地板上的单极子天线，用二维网络精确地描述了天线的同轴馈电部分.文献［3］建立了一个简单的等效激励来模拟同轴线给微带天线馈电，在FDTD 计算中用的是硬激励源（hard source ），并且在激励源上串联了一电阻，这种方法有一定的局限性.1992年，R.Luebbers 应用FDTD 较全面地分析了单极子天线的特性［5］，给出了两种激励源模型，同轴磁环激励和!-间隙激励模型，并且在两种激励模型下计算了天线输入阻抗，和实验结果进行了比较，该文献计算天线输入阻抗的方法和文献［3］基本相同，只是将接入电阻变为零.文献［6］在计算平衡馈电的天线阻抗时引入了理想的平行线模型，但是这样使问题变得复杂化了.当然应用FDTD 方法，可以通过计算已知特性阻抗的天线馈线上的反射系数计算天线的输入阻抗，然而在许多情况下用网格划分馈线是非常困难的.有时应用FDTD 仿真天线时，并不需要关心天线和馈线连接的细节，而只关心天线的激励点输入阻抗（driving-point impedance ），因此建立一个更有效的馈电区模型是非常有意义的.众所周知，建立一个好的馈电区模型是精确计算天线阻抗的基础，本文建立了一个应用于FDTD 软激励（softsource ）条件下的理想!-间隙激励模型，并从有源区的Yee 差分方程出发，基于FDTD 方法推导出了天线输入阻抗新的简单有效的计算方式."理论公式图1示出了一个天线馈电区的模型.一端口网络表示天线，馈电点A 和B 相距一个网络，它们之间的激励电压为U s z （t ），流过激励源的电流为I z （t ），其中A 与B 的连线和正交Yee 网格线重合，B 点的坐标为（i ， ，I ）.所以有U z I n =-E z I n（i ， ，I ）·!z （1）I n z =!x ·（H x I n +1/2（i ， -1，I ）-H x I n +1/2（i ， ，I ））+"y ·（H y I n +1/2（i ， ，I ）-H y I n +1/2（i -1， ，I ））（2）收稿日期：2000-09-04；修回日期：2001-02-21第12期2001年12月电子学报ACTA ELECTRONICA SINICA Vol.29No.12Dec.2001图1天线馈电区示意图由于计算阻抗时，频域解对时域中激励源的加入时刻非常敏感，所以这里将文献［7］中激励推迟了A t /2，由t =I ·A t时刻改为t =（I +1/2）·A t ，这样在激励区的Yee 的迭代公式为E z I I +1（i ， ，I ）=E z I I （i ， ，I ）+A t E ·A x ［H y I I +1/2（i ， ，I ）-H y I I +1/2（i -1， ，I ）］-A t E ·A y［H x I I +1/2（i ， ，I ）-H x I I +1/2（i ， -1，I ）］+E S z I I +1/2（i ， ，I ）（3）在（i ， ，I ）点，将式（1）和（2）带入式（3）可得A U z A t I +1/2（i ， ，I ）=-A z E ·A S I z I I +1/2（i ， ，I ）+1A t ·U S z I I +1/2（i ， ，I ）（4）其中，A S =A x ·A y.对上式两边进行Fourier 变换，在采样足够密时可得l U z （l ）=-A z E ·A S I z （l ）+1A tU Sz （l ）（5）Z iI （l ）=U z （l ）I z （l ）（6a ）=1 l ·A t ·U Sz （l ）I z （l ）-1 lC （66）其中，C =E ·A x ·A y /A z.l =2T ·f ，U Sz （l ）、I z （l ）分别是U S z （t ）、I z （t ）通过FFT 变换得到的.U S z （t ）可以是高斯脉冲也可以是正弦调制的高斯脉冲.一般来讲，式（6a ）中频域响应电压U z （l ）是不能直接通过对时域的响应电压U z （t ）进行FFT 得到，因为在应用软激励源计算天线问题时，许多情况下不能满足条件Iim t !U z （t ）=0（7）因此将离散的响应电压信号U z （t ）从时域变换到频域时，采用计算机较难处理，而应用式（66）中激励源的电压值U S z （l ）是一种比较好的选择.!计算结果为了验证上述公式，计算了Luebbers 在文献［5］中图8的天线阻抗，图2为其结构示意图，其中：a =60mm ，6=10mm ，c =50mm ，h =50mm ，w =30mm ，i =5mm ，激励源在天线根部占图2天线几何结构示意图一个网格，源采用了高斯脉冲E z =e -（t -t 0）2/T2（8）其中T =48.2ps ，t 0=3T .在此仿真中采用了16层PML 边界，理论反射系数R th （0）=10-8，幂指数I =4，网格尺寸采用了和文献［5］中相同的划分，为!x =!y =!z =1.67mm ，包括PML 层在内总的网格数为79X 49X 103，由于天线的输入阻抗对振子的直径非常敏感，为了在计算中考虑振子的直径影响，天线细杆的处理采用了文献［8］的近似方法，即认为细导线周围的场是按1/r 规律衰减的，同时导线上的电场为零，在该假设下可得细导线周围磁场的Yee 的迭代公式为H x I I +1/2（i 0， 0，I ）=H x I I -1/2（i 0， 0，I ）+J y ·A t l ·Ay ·［E z I I（i 0， 0，I ）-E z I I（i 0， 0+1，I ）］-A t l ·A y·［E y I I （i 0， 0，I ）-E y I I（i 0， 0，I +1）］I =I 1，…，I 2-1（9）其中，J y =2/II（!y /r 0），r 0为细导线的半径，i 0， 0为细导线在x -y 平面内投影的坐标序数，I 1和I 2分别表示细导线在z 轴上第一点和最后一点的坐标序数，其中激励源所占的一个网格不包含在内.细导线周围的H y 可以用同样的方法求出，而电场的三个分量仍然采用标准的Yee 迭代公式［9］.计算和比较表明，该近似方法在其适用范围内（r 0"A /2，A 为距离离散间隔）存在大约1%左右的误差［8］.图3为图2中天线输入阻抗的计算曲线，为了比较，同时给出了在硬激励时的计算结果，从图3中可以明显看出在频率接近零时硬激励结果的失真.图中应用（66）式的计算结果和文献［5］的实验结果吻合很好.本文的方法消除了文献［5］中出现的在频率接近零时天线输入阻抗的失真.这是因为应用式（6a ）计算时理论上有，Iim l !0Z m （l ）=0-另外，在计算振子天线时，该馈电模型中A 、 两点间开路，所以天线激励点处电流衰减很快，缩短了计算时间，以上两种方法计算的天线输出端响应电流如图4所示，本文采用的方法中响应电流衰减的非常快.图3天线输入阻抗计算结果图4两种计算方法在天线输出端的电流响应的比较图5微带天线结构示意图6361电子学报2001年该方法不仅可以用在振子天线，对微带天线也是有效的，图5为一采用同轴线馈电的微带天线，结构尺寸如图所示，在馈电区中激励源占据了馈线和金属地板相邻处的一个网格.由于天线的输入阻抗对同轴激励探针的直径比较敏感，所以直径d 0=0.15mm 的金属探针应用了文献［8］的方法近似.在FDTD 计算中，PML 边界的参数选取和上例相同，网格尺寸为!x =!y =!z =0.25mm ，此时激励源仍采用高斯脉冲，激励源参数为，T =17.7ps ，t 0=3T ，!t =0.48ps .包括PML 层在内总的图6微带天线输入阻抗计算结果比较网格数为85X 85X 50，计算的总步长数为5000步.为了验证计算结果，在应用FDTD 计算的天线输入阻抗的同时，用HP 公司的分析软件HFSS 对该天线进行了计算，两种方法计算的结果如图6所示.可以看出两种计算结果基本相吻合，但是存在大约百分之一的差别，造成差别的原因可能有两个，一个是由于两种算法本身对激励点的处理不同，另一个是在对馈电探针直径的近似方法也不相同.总之，通过和比较可以看出，式（6J ）对于微带天线输入阻抗的计算一样是简洁和有效的.!结论采用FDTD 计算天线的输入阻抗是一种非常有用的方法.本文应用了"-间隙激励和探针激励模型，并在软激励条件下给出了由该模型激励天线时的输入阻抗计算公式，该方法计算天线的输入阻抗简洁方便，并且在低频时也有较好的效果.计算了一个金属盒上的单极子天线输入阻抗，结果和文献［5］吻合较好并且没有低频时的失真现象.然后计算了一个同轴馈电的微带天线，其输入阻抗和应用HP 公司的商业软件计算结果进行了比较，证明了本文方法的实用性.参考文献：［1］K R Umashankar ，A TafIove.A noveI method to anaIyze eIectromagneticscattering of compIex objects ［J ］.IEEE Trans.EIectromagnetic Com-patibiIity ，1982，24（4）：397-405.［2］A TafIove ，K R Umashankar.Radar cross section of generaI three-di-mensionaI scatters ［J ］.IEEE Trans.EIectromagnetic CompatibiIity ，1983，25：433-440.［3］A Reinei ，B Jecko.AnaIysis of microstrip patch antennas using finite-difference time-domain method ［J ］.IEEE Trans.Antennas Propagat ，1989，37（11）：1361-1369.［4］James G.MaIoney ，GIenn S Smith ，Waymind R Scott ，Jr.，Accuratecomputation of the radiation from simpIe antennas using the finite-dif-ference time-domain method ［J ］.IEEE Trans.Antennas propagat.，Ju-Iy 1990，38（7）：1059-1068.［5］R J Luebbers ，L Chen ，T Uno ，S Adachi.FDTD caIcuIation of radiationpatterns ，impedance and gain for a monopoIe antenna on a conducting box ［J ］.IEEE Trans.Antennas propagat.，1992，40（12）：1577-1583.［6］J M Bourgeois ，G S Smith.A fuIIy three-dimensionaI simuIation of aground-penetrating radar ：FDTD theory compare with experiment ［J ］.IEEE Trans.Geosci.Remote Sensing ，1996，34（1）：36-44.［7］An Ping Zhao and Antti V.Raisanen.AppIication of a simpIe and effi-cient source excitation technigue to the FDTD AnaIysis of waveguide and microstrip circuits ［J ］.IEEE Trans.Antennas propagat.，1996，44（9）：1535-1538.［8］K R Umashankar ，A TafIove ，B Beker.CaIcuIation and experimentaIvaIidation of induced currents in coupIed wires in an arbitrary shaped cavity ［J ］.IEEE Trans.Antennas propagat.，1991，AP-35（11）：1203-1212.［9］Yee K S.NumericaI soIution of initiaI boundary vaIue probIems invoIv-ing MaxweII ’s eguations in isotropic media ［J ］.IEEE Trans.Antennas and propagation ，1966，14（5）：302-307.7361第12期李朝伟：一种基于FDTD 的简单有效的天线阻抗计算方法专注于微波、射频、天线设计人才的培养易迪拓培训网址：如 何 学 习 天 线 设 计天线设计理论晦涩高深，让许多工程师望而却步，然而实际工程或实际工作中在设计天线时却很少用到这些高深晦涩的理论。

基于FDTD算法的天线射频特性分析研究第一章前言在现代通讯技术中，天线的角色是不可忽略的。

天线是实现无线通讯的重要组成部分，其性能对于无线通讯质量和效率的影响非常大。

由于天线的结构复杂，其性能又受到外部环境和媒介的影响，因此对于天线的优化设计和性能分析显得尤为重要。

近年来，随着计算机技术的不断发展和高性能计算机的应用，数值计算方法在天线领域的应用也越来越广泛。

其中，FDTD算法是一种常用的数值计算方法，被广泛应用于天线的仿真、设计和优化过程中。

本文将以基于FDTD算法的天线射频特性分析为主要研究内容，对该算法的基本原理、天线射频特性的分析方法、优化设计等方面进行介绍和探究。

第二章 FDTD算法基本原理FDTD（Finite-Difference Time-Domain）算法是一种有限差分时域方法，可以精确地解决电磁场的时域模拟问题。

这种方法用离散化的电场和磁场方程来描述电磁场在时域中的传播。

因此，它可以模拟任意形状和尺寸的电磁体。

在FDTD算法中，空间被离散成一个三维网格，通过在该网格上计算电场和磁场的变化来模拟电磁场的时变过程。

在计算过程中，FDTD算法只考虑了时变的电场和磁场，而不考虑静电和静磁场。

由于其数值计算过程没有涉及到频域分析，因此可以方便地处理非线性和时变的电磁场问题。

FDTD算法的核心部分是离散化的Maxwell方程组，该方程组可以写成如下形式：$$ \frac{\partial D}{\partial t} = \nabla \times H - J $$$$ \frac{\partial B}{\partial t} = -\nabla \times E $$其中，D和B分别为电位移和磁通量密度，E和H为电场和磁场强度，J为当前密度。

该方程组可以被离散成有限差分的形式，然后通过迭代算法求解。

第三章天线射频特性分析方法天线的射频特性包括天线的增益、辐射方向图、阻抗等参数，这些参数是评估天线性能的关键指标。

河北工业大学硕士学位论文基于FDTD算法的手机天线对人体头部电磁辐射的仿真研究姓名：郭佳申请学位级别：硕士专业：电工理论与新技术指导教师：葛曼玲20061201河北工业大学硕士学位论文基于FDTD算法的手机天线对人体头部电磁辐射的仿真研究摘要随着科学技术的迅猛发展和人们生活水平的大幅提高，手机（移动电话）的持有量急剧增加，已成为现代社会中一种大众化信息交换工具；与此同时，手机电磁辐射是否对人体构成危害，也自然成为人们关注的焦点。

手机在工作时，由于天线距离人头部很近，头部处于近场感应和辐射场范围内，足够强的微波辐射可能对人体组织产生热和非热效应，从而构成对人体潜在的危害。

对于这样的一个电磁辐射问题，本文利用电磁场计算的常用方法——时域有限差分法(Finite Difference Time Domain Method)和比吸收率(SAR)进行数值模拟计算。

首先，将FDTD法引入到SAR计算中，并对边界条件、网格剖分进行定义，以更好的适应电磁辐射的计算；其次，对人体的头部和手机天线进行建模。

最后，分析了在900MHz的工作频率下手机天线近场区中人体头部在辐射系统峰值功率下电场强度和比吸收率的分布。

我们期望通过这种仿真实验和分析很好地认识手机天线对头部的辐射作用，为研究这一复杂的电磁问题提供一种计算方法和技术手段。

我进一步的研究思路和设想可从以下两个方面入手：第一 细化头部的建模工作，将眼睛、肌肉等组织的电参数赋予其所在的元胞。

第二 通过CT、MRI等医学成像技术来得到头部更为真实的结构模型。

关键词： 时域有限差分法，手机天线，辐射，比吸收率基于FDTD算法的手机天线对人体头部电磁辐射的仿真研究THE SIMULATION OF THE ELECTROMAGNETISMRADIATION MADE BY A MOBILE HANDSET BASED ONA HUMAN HEAD MODEL BY USING THE FDTD METHODABSTRACTWith the rapid development of the science and the technology and with the high improvement of the life level, the amount of the mobile telephone has increased sharply. It has become a popular tool for the communication in the modern society. Meanwhile, it has been a highlight problem that whether the radiation from the mobile handset may make some side-effect on the human body. Because the antenna of a mobile handset is so near to a human head, that is situated around the field of the induction and the radiation, its radiation of the microwave might be strong enough to make some thermal and non-thermal effects on the head.In the term of the above problem of the radiation, a simulation of the electromagnetism radiation made by a mobile handset based on a human head model is fulfilled by using the algorithm of finite difference time domain. Anymore, the distribution of SAR is utilized to analyze the effect of the electromagnetism waves on the head model.Three steps are adopted in the computing mission. Firstly, the electrical field is calculated by using the FDTD method based on the XFDTD software after the situable boundary conditions and the meshed cell are defined. Secondly, the human head and the antenna of the mobile handset are modeled and are meshed into the grids cells. Finally, the intensity of the electrical field and the distribution of SAR are calculated and analyzed with the condition of the peak value of the 900MHz electromagnetism field if it is supposed that the head is near to the antenna of mobile handset and is exposed to the field.The goal of the thesis is to understand better the radiation effect of an antenna in a mobile phone through the simulation experiments and the analysis. And more, is expected to supply an available computing method and technology.Based on the work here, two aspects may be simulated:Firstly, modeling the head in more detail can be accomplished so that the electrical parameters of some tissues such as the eyes and the muscles and et al. can exist in the meshed cells.Secondly, modeling the head in more real can be accomplished based on the technologysuch as CT or MRI.Keywords: FDTD Method, Mobile antenna, Radiation, SAR第一章 绪论§1-1 研究背景及意义移动通信作为当今通信业的热点，近十年来在整个通信产业中发展最为迅速。