電磁仿真軟件總體設(shè)計技術(shù)

王麗娜

摘 要： 通過調(diào)研分析國外電磁仿真軟件的架構(gòu)設(shè)計方案，并充分考慮國內(nèi)重大工程應(yīng)用的特點和難點，設(shè)計了電磁計算軟件系統(tǒng)架構(gòu)。電磁計算軟件系統(tǒng)分為積分方程法子系統(tǒng)和微分方程法子系統(tǒng)，主要由3個功能模塊組成，包括前處理模塊、計算模塊和后處理模塊。可實現(xiàn)幾何建模、參數(shù)設(shè)置、材料賦值、網(wǎng)格生成、電磁計算、數(shù)據(jù)后處理等完整電磁仿真流程。

關(guān)鍵詞： 電磁仿真; ?電磁計算; ?數(shù)據(jù)分析

文章編號： 2095-2163（2021）03-0164-03 中圖分類號： TM715 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

【Abstract】Through investigation and analysis of the architecture design of foreign electromagnetic simulation software， and fully considering the characteristics and difficulties of domestic major engineering applications， the architecture of electromagnetic calculation software system is designed. Electromagnetic calculation software system is divided into integral equation subsystem and differential equation subsystem， which mainly consists of three functional modules， including pre-processing module， calculation module and post-processing module. It can realize geometric modeling， parameter setting， material assignment， grid generation， electromagnetic calculation， data post-processing and other complete electromagnetic simulation process.

【Key words】 electromagnetic simulation; ?electromagnetic calculation; data analysis

0 引 言

軍用和民用領(lǐng)域?qū)﹄姶欧抡孳浖加芯薮笮枨蟆鴥?nèi)在計算電磁學(xué)算法方面擁有較好的研究基礎(chǔ)，并于近些年突破了部分大規(guī)模并行電磁計算關(guān)鍵技術(shù)，但國內(nèi)電磁算法的軟件化程度不足，難以對科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行推廣使用。由于國產(chǎn)電磁仿真軟件發(fā)展滯后，國外中低端電磁仿真軟件壟斷了國內(nèi)市場。然而，這些中低端電磁仿真軟件只能滿足小規(guī)模部件級仿真需求，無法滿足大規(guī)模系統(tǒng)級工業(yè)仿真需求，并且存在禁運風(fēng)險以及安全隱患。與此同時，國外對高端軍用電磁仿真軟件嚴(yán)格封鎖。可見，系統(tǒng)級精確電磁仿真能力不足、國產(chǎn)電磁仿真軟件發(fā)展滯后的現(xiàn)狀已經(jīng)嚴(yán)重制約國內(nèi)新型信息化裝備的電磁分析與設(shè)計能力。

近年來，受益于國產(chǎn)超級計算機(jī)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)高性能電磁計算方法和技術(shù)發(fā)展迅速，電磁計算能力穩(wěn)步提升，這為國產(chǎn)電磁仿真軟件的發(fā)展提供了契機(jī)。本項目在前期研究工作基礎(chǔ)上，以“高、精、尖”為目標(biāo)，通過對比分析國外成熟商業(yè)電磁軟件的架構(gòu)設(shè)計方案，并考慮本項目大規(guī)模并行電磁計算的優(yōu)勢，設(shè)計涵蓋積分方程法與微分方程法的電磁軟件架構(gòu)，為研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、安全可控的大規(guī)模系統(tǒng)級精確電磁計算軟件提供保障。

電磁軟件架構(gòu)設(shè)計遵循以下原則：

（1）滿足幾何建模、參數(shù)錄入、網(wǎng)格生成、電磁計算、數(shù)據(jù)分析等功能性需求，同時滿足穩(wěn)定性、易用性等非功能性需求。這是電磁仿真軟件的基本要求，也是軟件架構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該遵循的基本原則。

（2）實用性原則，能精確計算金屬、介質(zhì)模型的電磁散射、輻射、耦合特性，架構(gòu)設(shè)計也必須實用，否則就會“過度設(shè)計”或“脫離實際”。

（3）滿足前后處理、網(wǎng)格生成等模塊的復(fù)用要求，最大程度地提高開發(fā)人員的工作效率。

1 國外商業(yè)軟件架構(gòu)分析

經(jīng)過二十余年發(fā)展，國外研發(fā)了多款商業(yè)電磁仿真軟件。其中，Altair FEKO是積分方程法商業(yè)軟件的代表，ANSYS HFSS是微分方程法商業(yè)軟件的代表。通過分析國外電磁仿真軟件的架構(gòu)設(shè)計方案，并充分考慮國內(nèi)重大工程應(yīng)用的特點和難點，設(shè)計形成軟件整體架構(gòu)。

電磁仿真軟件的操作流程一般可分為5步：幾何建模與網(wǎng)格生成，材料、負(fù)載與邊界的設(shè)置，激勵源設(shè)置，仿真計算和數(shù)據(jù)后處理。電磁仿真軟件架構(gòu)通常會圍繞這5部分展開，而根據(jù)不同的算法，軟件架構(gòu)在具體實現(xiàn)上有差異。下面對2款代表性商業(yè)軟件的架構(gòu)進(jìn)行分析。

1.1 FEKO軟件

FEKO是美國Altair公司的一款以低階矩量法（MoM）及快速多極子方法（FMM）為主的高頻電磁場仿真軟件，其將幾何模型剖分為三角形網(wǎng)格，通過直接求解或迭代求解進(jìn)行仿真計算。

該軟件的特點是適合計算中小電尺寸電磁問題，尤其擅長金屬、均勻介質(zhì)模型的散射特性計算。該軟件的MoM、FMM均使用面網(wǎng)格離散模型表面，在計算體積大、表面積小的模型時有優(yōu)勢，同時軟件還具有核外求解技術(shù)，可以在內(nèi)存不足時將硬盤納入計算過程，有效擴(kuò)大計算規(guī)模。該軟件界面簡潔合理，通過偽代碼方式增強了電磁算法的可操控性，人機(jī)交互性能較好。FEKO軟件的交互界面如圖1所示。由圖1可見，操作欄用于控制整個仿真流程，模型與定義欄用于顯示模型組件、設(shè)置激勵與邊界條件等輸入?yún)?shù)，模型細(xì)節(jié)樹給出模型詳細(xì)的線、面、材料等信息，模型窗口是模型可視化的區(qū)域，狀態(tài)欄顯示軟件運行狀態(tài)。

需要指出，F(xiàn)EKO軟件的并行電磁算法可擴(kuò)展性有限、不支持區(qū)域分解算法，導(dǎo)致計算能力不足;對于復(fù)雜曲線、曲面模型的建模能力較差，千萬量級以上的網(wǎng)格生成效率低，需要借助第三方軟件完成復(fù)雜模型建模和網(wǎng)格生成;數(shù)據(jù)量、網(wǎng)格量較大時，存在可視化不流暢、操作卡頓等問題。

1.2 HFSS軟件

HFSS是美國ANSYS公司的一款以有限元法（FEM）為核心的高頻電磁仿真軟件。軟件將模型離散為四面體網(wǎng)格，進(jìn)而進(jìn)行有限元求解。

該軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)使其對復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的建模能力非常強，適合用于復(fù)雜天線模型的輻射與耦合問題仿真。作為國內(nèi)市場占有率非常高的商業(yè)電磁仿真軟件之一，其用戶交互界面友好，參數(shù)設(shè)置方便快捷，自動化程度高，易用性很強。HFSS的交互界面如圖2所示。操作欄用于控制整個仿真流程，工程管理欄可以管理多個工程且方便定義工程之間的聯(lián)動，屬性欄給出操作對象的具體屬性，模型窗口和模型樹顯示模型信息，信息欄和進(jìn)程欄給出軟件提示信息和運行狀態(tài)。

作為微分方程法，有限元法離散電大模型產(chǎn)生的網(wǎng)格量和計算量通常非常大，因而該軟件對于大型陣列天線輻射特性、電大尺寸目標(biāo)散射特性的計算能力不足。對于大型電磁問題，有限元法大規(guī)模稀疏矩陣方程的求解極其耗時。雖然使用并行計算技術(shù)能夠在一定程度上提升稀疏矩陣方程求解能力，但稀疏矩陣方程的并行求解算法可擴(kuò)展性有限。更重要的是，該軟件的并行計算版本費用高昂，性價比低。

2 總體設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

通過調(diào)研分析國外電磁仿真軟件的架構(gòu)設(shè)計方案，并充分考慮國內(nèi)重大工程應(yīng)用的特點和難點，國產(chǎn)電磁計算軟件總體架構(gòu)設(shè)想如下。軟件架構(gòu)包含應(yīng)用控制層、通用功能層、電磁建模層、電磁算法層、數(shù)據(jù)分析層等。其中，電磁算法層是整個系統(tǒng)的核心部分，包含多種核心求解算法方案。

該軟件具備仿真多類電磁問題的能力，對此擬展開分述如下。

（1）精確計算多種形式天線的近場、遠(yuǎn)場（增益）等電磁數(shù)據(jù)，用于復(fù)雜大型天線分析與設(shè)計、天線與載體平臺綜合設(shè)計。

（2）精確計算電大尺寸目標(biāo)的雷達(dá)散射截面（RCS），用于目標(biāo)特性分析。

（3）精確計算耦合模型的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（S參數(shù)等），用于電磁兼容問題分析、天線與微波器件設(shè)計。

2.2 功能描述

電磁仿真軟件基本功能和適用的電磁問題如圖3所示。

由圖3可知，在軟件設(shè)計層面，電磁仿真軟件包含幾何建模、網(wǎng)格生成、電磁計算、數(shù)據(jù)分析等基本功能。其中，幾何建模主要指實現(xiàn)仿真目標(biāo)幾何模型構(gòu)建的功能，支持用戶自主建立模型以及從外部導(dǎo)入幾何模型，并支持模型修改、刪除等功能，用戶可以設(shè)置模型面、體的材料參數(shù)等。網(wǎng)格生成是把已經(jīng)建立并包含材料、邊界、負(fù)載、激勵源等屬性的幾何模型離散成電磁算法可計算的網(wǎng)格信息的功能。電磁計算是指完成模型電磁仿真的功能。數(shù)據(jù)分析主要指對電磁計算得到的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化、對比分析以及導(dǎo)入導(dǎo)出等功能，數(shù)據(jù)可視化包括三維圖顯示、二維圖顯示以及動態(tài)顯示等。

在軟件應(yīng)用層面，軟件可解決目標(biāo)散射問題、天線輻射問題以及電磁耦合問題。目標(biāo)散射特性計算主要指目標(biāo)的雷達(dá)散射截面（RCS）計算，用以判斷飛機(jī)、艦船等目標(biāo)的散射特性或隱身性能。目標(biāo)散射特性計算需要平面波激勵源。天線輻射特性計算主要指天線的增益、主瓣寬度、副瓣電平、近場、S參數(shù)等計算。軟件需要支持天線的典型激勵源，如天線的delta源、波導(dǎo)縫隙天線的波端口激勵源、微帶天線的同軸激勵源等。電磁耦合特性計算指天線、微波器件等端口的耦合參數(shù)（例如S參數(shù)）計算。電磁耦合問題的端口一般也是波端口。

2.3 軟件組成

電磁仿真軟件主要由3個功能模塊組成，詳見表1。由表1分析可知，用戶通過前處理模塊建立需要仿真的幾何模型，并利用網(wǎng)格生成模塊將幾何模型剖分為網(wǎng)格模型。前處理模塊將網(wǎng)格信息和用戶設(shè)置的電磁參數(shù)傳輸給電磁算法模塊。當(dāng)用戶確認(rèn)幾何模型和電磁參數(shù)設(shè)置無誤后即可執(zhí)行運行指令，運行指令將根據(jù)用戶選擇的電磁算法和運行方式（串行、并行）調(diào)用相應(yīng)的電磁算法模塊進(jìn)行計算。軟件完成計算任務(wù)后將計算結(jié)果按統(tǒng)一的格式輸出到指定文件中，用戶通過后處理模塊對計算結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化和分析。

前處理模塊包含幾何建模、基本參數(shù)設(shè)置、材料屬性設(shè)置、負(fù)載與邊界設(shè)置以及激勵源設(shè)置，主要負(fù)責(zé)電磁仿真模型的構(gòu)建。根據(jù)不同的電磁問題類型，在建立的模型中設(shè)置不同的激勵源和邊界條件。通過網(wǎng)格生成獲取電磁網(wǎng)格模型，結(jié)合所設(shè)置的電磁參數(shù)，輸出電磁算法模塊所需的輸入?yún)?shù)，調(diào)用相應(yīng)的電磁算法模塊完成計算任務(wù)后，得到計算結(jié)果數(shù)據(jù)，并調(diào)用后處理模塊對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化和分析后，即完成整個電磁問題的仿真。整個仿真過程中，每個模塊都可以通過所定義的接口與其他模塊進(jìn)行交互。

3 結(jié)束語

通過調(diào)研分析國外電磁仿真軟件的架構(gòu)設(shè)計方案，并充分考慮國內(nèi)重大工程應(yīng)用的特點和難點，設(shè)計了電磁計算軟件系統(tǒng)架構(gòu)。電磁計算軟件系統(tǒng)分為積分方程法子系統(tǒng)和微分方程法子系統(tǒng)，主要由3個功能模塊組成，包括前處理模塊、計算模塊和后處理模塊。可實現(xiàn)幾何建模、參數(shù)設(shè)置、材料賦值、網(wǎng)格生成、電磁計算、數(shù)據(jù)后處理等完整電磁仿真流程。

在后續(xù)軟件研制過程中，將根據(jù)新出現(xiàn)的重大應(yīng)用需求對軟件架構(gòu)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

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