[发明专利]一种基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法

说明书

本发明提出一种基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法，包括，利用几何建模工具建立天线的几何结构，对天线馈电和阻抗加载端口的面、线进行标记；沿着天线的金属贴片边缘，在其相邻的介质表面与金属贴片内部添加网格剖分辅助线；根据标记设置天线端口，并设置求解条件；根据网格剖分辅助线对天线的结构进行网格三角形单元剖分，并记录剖分网格信息；根据求解条件和剖分网格信息进行电磁仿真。通过本发明提出的方法，有效提高了利用矩量法仿真含介质基板结构天线的电磁特性时的精准度和计算效率。

技术领域

本发明属于仿真技术领域。

背景技术

随着无线通信的小型化、集成化发展，作为无线通信系统的核心组件，天线的设计与优化日益依赖于电磁仿真算法。目前主流的电磁算法主要有时域有限差分方法、有限元法和矩量法,其中基于麦克斯韦方程组积分形式的矩量法，无需引入截断边界，仅在天线表面进行未知数离散，是最公认最具精确性和高效性的电磁仿真方法。

基于矩量法仿真天线的典型过程如下：

首先基于麦克斯韦方程组与等效原理建立以等效电磁流为未知量的目标表面积分方程，然后利用一组基函数将待求的目标表面等效电磁流分布进行展开。基函数通常分为两类：全域基函数和局域基函数，对于不规则的求解区域，全域基函数的形式一般比较难得到，所以在利用矩量法求解电磁学问题时，通常采用的是局域基函数。局域基函数的基本思想是将整个求解区域划分为很多个小的面单元，然后在每个面单元上使用简单形式的函数作为基函数。这一步也称作“网格划分”。若用抽象的方式描述，则：

其中，为积分算子，为待求未知量，为已知积分方程激励项，基函数展开：。

将代求表面等效电磁流分布展开之后，采用一组测试函数对式1.1进行检验，然后再求解区域内积分，便可以将式1.1化为矩阵方程。求解该矩阵方程，便能得到待求获得表面等效电磁流分布。

利用矩量法求解天线的电磁特性时，网格划分是影响计算精度的重要一步。虽然目前很多电磁仿真软件(例如Altair FEKO、HFSS、CST等)都自带有网格剖分工具，能够根据天线的工作频率和形状自动进行网格剖分，但是就是大量的实验和仿真结果表明：对于包含介质基板结构的天线，采用矩量法和传统的网格划分方法并不能保证仿真结果的准确性。

虽然利用电磁仿真软件来仿真天线的电磁特性十分方便，可以设置不同类型的端口，还有自动剖分网格的功能，但是对于网格剖分完全依赖于天线的几何模型，剖分的网格大小一般由其材料的介质波长来确定。实际上对于不同类型的材料，在矩量法的仿真过程的处理方式有着很大的不同，例如介质材料表面同时存在着等效的电流和磁流，金属表面就近仅存在等效的电流，且对于可以等效为面的薄金属面片来说，其边缘处垂直于边缘向外方向上的电流为零。由此可见，在介质表面与金属层的过渡区域，等效电磁流的分布是较为复杂的。

目前的商业软件和研究性软件广泛采用非结构化网格划分方法。文章“适用于矩量法电磁分析的三角化网格技术研究”（李雪花. 适用于矩量法电磁分析的三角化网格技术研究[D].西安电子科技大学,2012.）描述了两种常用的非结构化网格划分时使用的算法：Delaunay三角化方法和前沿推进法。Delaunay三角化方法能够尽量避免病态的三角形出现；前沿推进法在选定前沿边的垂直平分线上生成内点，生成的三角形接近于正三角形或等腰三角形，具有局部网格最优的特点，但为了判断所生点的有效性,需要反复检验线段相交情况，运算量较大。

上述现在比较常用的网格划分方法是基于整个电磁模型来进行自动划分的，这种方法难以兼顾到局部的网格划分精度。对于一些特殊的天线结构，可能局部存在电磁变化较为复杂的区域，例如含介质板天线的边缘。