工程上快速估算電磁兼容

1引言
電大尺寸的電磁兼容問題的求解是工程領(lǐng)域的難點之一。使用傳統(tǒng)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(nèi)存空間

。為了快速解決復雜的電磁工程問題，人們通常對天線等復雜模型進行簡化。本文提出了一種分析電大尺寸口徑面天線電磁兼容問題的有效方法。利用該方法，天線激勵可被等效為口徑面上的偶極子陣列，而口徑面天線口徑上的電流分布可以采用泰勒線源法用簡單的近似公式導出。在用基于表面積分方程的快速算法求解天線附近存在障礙物時的電磁兼容問題時，該偶極子陣列可以用來代替原來的天線激勵。從而避免了對天線與障礙物整體采用MLFMA建模仿真時計算復雜度太大的缺點，使得整個算法求解問題的復雜度取決于散射體的大小，與天線形狀和尺寸無關(guān)。
2多層快速多極子簡介
快速多極子方法(FMM)和多層快速多極子方法(MLFMA)是求解電磁場積分方程的快速算法

。使用矩量法求解電磁場積分方程時，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題的效率。多層快速多極子與矩量法結(jié)合大大的降低了矩陣的填充時間與存儲空間，并加速了迭代過程中矩陣矢量相乘的計算。對于未知量數(shù)目為N的散射問題，直接求逆的計算

作為數(shù)值方法，快速多極子方法和多層快速多極子方法具有數(shù)值誤差可控、計算精度高、通用性強和應用范圍廣的優(yōu)點。其缺點是相對于PO等高頻方法而
言，數(shù)學公式復雜、不易編程、優(yōu)化參數(shù)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(nèi)存大小。
3口徑面天線電流等效方法及驗證天線口徑面上的電流分布可以根據(jù)天線的遠場參數(shù)采用泰勒線源法導出
[3-4]
，而口徑面天線的遠場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(qū)產(chǎn)生的場強的疊加。對口徑面天線的等效偶極子陣列產(chǎn)生的總場強進行歸一化處理便得到天線的方向圖。
下面對一圓拋物面天線進行仿真來驗證該方法的正確性
[4]
。天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中a=2.4mb=0.3m。

將圖3與文獻
[4]
中計算的天線遠場方向圖（圖4）進行比較，兩者十分吻合。

4金屬板遮擋下的電磁兼容問題
實際工程問題中，天線常常處于非理想的環(huán)境中，天線的附近可能分布有較多的導電體或?qū)Т朋w，它們的存在將會對天線的性能造成影響。當天線附近有導
電體存在時，在頻率較高的情況下，如果把天線和導電體作為一個整體統(tǒng)一建模，無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，計算
速度也較慢。應用上述的等效方法，可以將天線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整體進行建模，這樣可以有效的提高計算效率，并
且不失準確性。

考慮圖5所示的電磁兼容問題，其中口徑面天線與文章第3部分的所采用的天線相同，但在距天線c=0.8m處存在一個邊長為d=0.5m的金屬方板。在頻率
為3GHz的情況下，整個模型為電大尺寸結(jié)構(gòu)。這里將口徑面天線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(jié)果如圖6所示。

由圖3和圖6進行比較可以看出，在有金屬方板遮擋的情況下，天線的方向圖發(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，應用此方法可以簡化分析口徑天線的電磁兼容問題，快速的估計導電體對天線性能的影響。
5結(jié)論
本文采用天線的遠場參數(shù)快速估計了天線的口徑面電流分布，繼而得到了天線的遠場方向圖，通過與實際天線遠場方向圖的對比，驗證了此種方法的正確
性。在此基礎(chǔ)上，將口徑面天線替代為電偶極子陣列，分析了在有導電方板遮擋的情況下，天線方向圖的變化。應用此種方法能夠快速的估計天線附近導電體對
天線性能的影響，在工程上具有較好的實用意義。