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第9章电磁兼容的预测与建模技术2.准静态电场和磁场
以上的代数方程组可以用矩阵表示为 (9-43) 可更简练地表示为 (9-44) ZI=E 值得注意的是, 式(9-44) 中的矩阵系统与欧姆定律相似, 式中Z可以解释为广义阻抗矩阵, 激励E可以解释为广义电压矩阵。 典型的估算矩量法的计算时间可通过以下两个方面估计: 第一是分段的数量, 它关系到解的精度(解收敛); 第二是计算矩阵元素Zij所需的时间。 矩阵Z的计算时间在很大程度上依赖于近似函数和权函数的选取。 式(9-44)小的电流矩阵I可以通过将矩阵Z转置来获得, 即 (9-45) 矩阵方程(9-45) 可用多种不同且有效的方法来解。 依据阻抗矩阵Z的结构, 可以利用确定的导线结构中的对称性减少矩阵的填充时间, 同样也减少解矩阵的时间。 通常矩阵Z是满阵。 对于满阵, 使用Gauss-Jordan法则可以得到有效解, Gauss-Jordan法则中解的时间直接与未知量N的平方成正比。 对于静态和准静态电场和磁场, 矩量法相当于表面电荷法或表面磁荷(或表面磁流)法。 对这类满阵方程的求解可以用GMRES(General Minimum Residual)[50]法。 对于许多实际的建模问题, 用网格近似表面可以得到满意的结果, 特别对最终的分析目标是远场的情况。 很重要的一点是在模型中, 导线网格限制电流的方向, 可能不适合实际应用的情况, 因为电流方向是否正确要影响精度。 还有一点应该注意的是, 当针对导线结构推导矩量法方程时, 只允许出现沿着导线的轴向电流, 这不包括任何圆周方向上的电流变量。 对于这种能够给出和保持精度的近似, 导线的半径必须远小于波长λ。 在前面提到, 当a小于λ/10时, 细线近似是有效的。 影响矩量法模拟精度的另一个因素是导线半径相导线段长度的比值a/l。 直观的感觉是离散线段越小, 模型的精度越高。 数学试验已经证明, a/l的比值如果保持低于1/10, 可以获得很好的精度。 如果a/l超过1/10, 接近自由导线末端的电流会出现振荡, 这将引入很大的误差。 2) 矩量法解积分方程 有几个积分方程是在辐射结构中描述激励源与电流和磁流之间的关系。 使用Pocklington和Hallen积分方程示范矩量法, Pocklington和Hallen积分方程是最常用的用于描述辐射结构问题的方程。 4. 几何绕射理论 前面介绍的几种算法——有限差分法、 有限元法、 矩量法, 其共同特点都是基于场域部分, 且有较好的场域适应性, 目前已成为电磁计算的主流方法, 这些算法对于求解场域尺寸小于几个到十几个波长的问题一般都可得到满意的结果, 故也把这类算法统称为低频算法。 对于电尺寸很大的场域求解, 由于计算量和存储资源要求太高, 则必须借助高频算法, 其中最具代表性的是几何绕射理论(GTD)及由此发展、 完善的一致性绕射理论(UTD)等。 20世纪50年代初, J.B.Keller在几何光学(PO)的基础上提出绕射射线, 奠定了(GTD)的算法基础, 后又经Kouyoumjian等研究人员的进一步完善, 使其解决问题的广度得到极大拓展。 目前已广泛应用于电磁辐射和散射的各个方面, 成为高频领域的一种重要的近似算法。 下面介绍其基本原理及三种主要的射线类型。 1) 基本原理 我们知道, 几何光学只研究直射、 反射和折射问题, 不能解释绕射现象, 其结果是不能计算阴影区的场。 Keller提出的绕射射线弥补了这一不足, 其基本原理可归结为以下三个方面: (1) 绕射射线轨迹遵循广义的费马(Fermat)原理, 而绕射场是沿绕射射线传播的。 原始的费马原理认为, 几何光学射线沿源点到场点的最短路径传播, 广义的费马原理则把绕射射线也包括在内, 认为绕射射线也是沿最短路径传播的。 (2) 绕射场传播满足局部性原理, 即绕射只取决于绕射点邻域的物理特性和几何特性。 众所周知, 在反射点周围的第一菲涅尔(Fresnel)区的性质对反射场的结构起主要作用。 推而广之, 绕射场也只取决于入射场和散射体表面的局部性质。 局部性原理的作用在于可以针对某种几何形状的散射体, 导出其绕射系数, 从而把入射场和绕射场联系起来。 这些是进行绕射计算的基础, 称为典型问题。 事实上, 几何绕射理论所能解决的问题范围取决于已知的典型问题的数量。 目前主要有两个典型问题, 即平面波在理想导电劈上的绕射和平面波在理想导电圆柱上的绕射。 (3) 离开绕射点后的绕射射线仍遵循几何光学定律, 即在绕射线管中能量是守恒的, 而沿射线路径的相位延迟就等于媒
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