基于ADE-PML方法的快速計算目標電磁場分布研究

葉文娟

摘? 要：在電磁場分布計算領域，目標的電磁分布計算是一個重要且復雜的問題。目前，常用的計算方法有有限元法、有限差分法、時域積分方程法等。這些方法都有各自的優缺點，但是無論哪種方法都需要進行離散化、求解和后處理等，存在計算量大、計算時間長、計算精度低等問題。為了解決這些問題，一些新的計算方法被提出，如自適應離散化誤差修正技術，自適應邊界條件技術等。這些技術能夠有效地提高計算精度和計算效率，但是在具體工程應用中，仍然存在一些問題，例如處理復雜目標的電磁場分布計算難度仍然較大、計算時間較長等。通過基于ADE-PML方法研究快速計算復雜目標的電磁場分布，進一步提高電磁場分布計算效率，有助于復雜目標電磁分布工程應用分析。

關鍵詞：ADE-PML；快速；電磁場；分布；計算效率

中圖分類號：TM412? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0012-04

Abstract： In the field of electromagnetic field distribution calculation， the calculation of the electromagnetic distribution of targets is an important and complex problem. Currently， commonly used calculation methods include finite element method， finite difference method， and time-domain integral equation method， among others. These methods have their own advantages and disadvantages， but all require discretization， solving， and post-processing， thus resulting in large computational workload， long computation time， and low computational accuracy. In order to solve these problems， new calculation methods have been proposed， such as adaptive discretization error correction techniques and adaptive boundary condition techniques. These techniques can effectively improve computational accuracy and efficiency. However， in practical engineering applications， there exist some challenges， such as the difficulty in handling the electromagnetic field distribution calculation of complex targets and long computation time. By studying the fast calculation of electromagnetic field distribution of complex targets based on the ADE-PML method， it is possible to further improve the efficiency of electromagnetic field distribution calculation for complex target engineering applications.

Keywords： ADE-PML; fast; electromagnetic field; distribution; computational efficiency

電磁場分布計算是電磁學領域中一個非常重要的問題，涉及電磁場的產生、傳播和相互作用等方面。電磁場分布計算方法發展主要分為解析階段、數值階段、混合階段和近似階段。解析階段通常只能計算簡單目標和邊界條件；數值階段可以對結構和材料近場進行計算，但是計算精度和計算效率往往是其矛盾的2個方面；混合階段適用于局部復雜性的問題，并一定程度上能夠提高計算精度和計算效率；近似階段往往可以計算復雜目標的幾何結構和邊界條件，但是其計算精確的電磁場分布一般比較困難。

結合近似階段各種方法的優點，一定程度上克服計算精度的不足，研究ADE-PML計算方法能夠快速準確地計算目標的電磁場分布。此方法可用于各種不同的應用領域，例如電力系統、電機設計、暗室設計等，有效分析電磁場的分布和特性并優化設計方案，進一步提高產品性能。

1? 電磁場分布計算的常用方法

在電磁場分布計算中，常用的方法包括有限元法、有限差分法、邊界元法和有限積分法等。

有限元法（Finite Element Method，FEM）是一種常用的數值計算方法，其將求解區域劃分為許多小的有限元單元之間的關系，利用數學模型和適當的邊界條件，通過求解線性或非線性方程組來獲得電磁場分布。有限元法適用于各種復雜的電磁場問題，如靜電場、靜磁場、電磁波轉播等。

有限差分法（Finite Difference Method，FDM）是一種基于差分逼近的數值計算網格，其將求解區域劃分為網格，將偏微分方程中的導數用差分近似代替，建立差分方程組，通過迭代求解來得到電磁場分布。有限差分法適用于各種電磁場問題，如靜電場、靜磁場、電磁波傳播等。

邊界元法（Boundary Element Method，BEM）是一種基于邊界積分方程的數值計算方法，其將求解區域劃分為邊界和內部2個部分，通過在邊界上建立邊界積分方程，將未知量從內部轉移到邊界上，通過求解邊界積分方程組來獲得電磁場分布。邊界元法適用于具有邊界條件的電磁場問題，如靜電場、靜磁場。

有限積分法（Finit Integration Technique，FIT）是一種基于有限差分和有限元的方法，其將求解區域劃分為網格，通過在每個網格中應用電磁場的積分形式，建立離散的方程組，通過求解方程組來得到電磁場分布。有限積分法適用于各種電磁場問題，如靜電場、靜磁場、電磁波傳播等。

除了上述幾種方法，還有模態分析法、時域有限差分法、時域積分方程法等，在不同應用領域和問題上有著不同的優勢和適用性。

2? ADE-PML計算原理

ADE-PML是一種用于求解時域麥克斯韋（Maxwell）方程組的數值方法，其中ADE是交替方向顯式（Alternating Drection）方法，PML代表完美匹配層（Perfectly Matched Layer）。該方法主要用于模擬電磁波在復雜介質中的傳播和散射現象，例如雷達、天線、光纖通信等領域。ADE-PML的主要思路是將麥克斯韋方程組分解為3個方向的單一維度問題，然后采用交替方向顯式法進行求解。同時，為了避免邊界反射和波導效應，采用完美匹配層技術對邊界進行處理，使得邊界處的電磁波能夠被吸收，從而得到更準確的解。ADE-PML方法具有計算精度高、計算速度快、適用于復雜介質等優點，被廣泛應用于電磁場計算、天線 、光纖通信等領域。利用ADE-PML法快速計算目標電磁場主要包括5個步驟，具體如圖1所示。

2.1? 建立數值計算模型

建立目標的電磁計算模型，包括目標的幾何形狀、材料參數、邊界條件。其中，幾何形狀是明確計算目標的物理形狀和尺寸以建立計算模型的實體；材料參數是明確計算模型的傳輸特性，主要是模型的材料電磁參數，包括介電常數、磁導率和電導率；邊界條件是一種能夠有效吸收入射波的邊界條件，需要設置合適的吸收層參數，如吸收層的厚度、吸收層的介電常數和磁導率等。

2.2? 目標離散化處理

將計算區域劃分為若干小區域，每個小區域稱為一個網格。在劃分網格后，采用自適應離散化誤差修正技術對模型進行離散化處理，然后采用時間域有限差分法并根據時間步長進行時間域上的離散化處理后計算，得到離散化的計算模型。

基于輔助微分方程方法的PML公式及時域有限差分法（FDTD）計算域的電磁特性，在用于截斷廣義介質FDTD計算域的三維PML區域，麥克斯韋方程組中的2個旋度方程在頻域的表達式為

式（1）、式（2）中，電位移矢量D與電場強度E、磁通量密度B與磁場強度H之間的本構關系為

式中：εr（ω）和μr（ω）分別是FDTD計算域介質的相對介電常數和相對磁導率系數，操作符▽s定義為

式中：Sη（η=x，y，z）是坐標拉伸變量，定義為

在三維笛卡爾坐標系中，式（1）和式（2）的分量形式為

基于輔助微分方程方法的PML算法如下，利用上述部分計算公式展開，由式（6）可以將S轉化為

將式（9）代入式（7）中，得出

式中：2個輔助變量分別定義為

式（11）和式（12）可以改寫為

利用傅里葉變換關系jω??/?t，可以將式（10）、式（13）、式（14）由頻域變換到時域，即

采用標準的FDTD算法，在空間和時間上均使用中心差分格式，可以將式（15）—式（17）離散為

式（18）—式（20）中，

2.3? 定義邊界條件

在計算區域的邊界上定義吸收邊界條件為PML。

2.4利用ADE-PML方法計算電磁場

利用ADE-PML方法計算電磁場在每個時間步長和空間單元的數值。第一步是確定計算區域的網格大小和時間步長，網格大小需同時兼顧計算精度和計算量；時間步長必須小于空間步長除以介質中電磁波的最大傳播速度。第二步是初始化電磁場，根據第一步的條件初始化電場和磁場。第三步是根據麥克斯韋方程通過差分分別計算出電磁和磁場在下一個時間步長的數值；第四步是重復以上步驟直到求解收斂，即電磁場的計算誤差達到預設的精度要求。

2.5? 計算結果顯示分析

根據計算結果進行后，得到目標的電磁場分布圖像或數據。

3仿真計算結果分析

為了驗證本研究動態顯示算法的有效性，利用上述理論基礎編寫仿真計算程序，并通過實際計算電磁波在自由空間中傳播的場分布。激勵源設置如圖2所示，邊界設置如圖3所示，計算結果如圖4所示。

通過圖4可以看出，在計算時間為10 s左右時x方向上的電場分布可以非常直觀地呈現。這將虛無縹緲的電磁場分布用等位線圖直觀地展示出來，供技術人員分析。

4? 結論

本文介紹了采用ADE-PML方法計算電磁場并直觀顯示。通過分析ADE-PML的基本原理和實現方法，綜合精度計算要求，闡述了目標電磁場分布計算的直觀顯示過程，并通過實驗仿真驗證了該方法的可行性和有效性，該方法可在通信、雷達、微波、天線等領域為工程師提供便捷、高效的計算和分析方法。

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