適應FDTD方法的AutoCAD高效建模技術(shù)與應用
針對時(shí)域有限差分( FDTD) 方法在計算電磁散射等所遇到的精確有效建模問(wèn)題，采用AutoCAD 建立目標的三維模型，調用VBA 程序進(jìn)行適應FDTD 計算的目標網(wǎng)格離散處理，生成相應的幾何- 電磁參數描述文件，并建立該文件與FDTD 求解程序結合的計算程序接口，實(shí)現了有效、快速和精確建模手段，可以實(shí)現從目標建模到電磁特性分析一體化。作為應用，對金屬球、金屬拋物面旋轉體和金屬球部分體3 個(gè)結構進(jìn)行了建模、運算的實(shí)例仿真計算，計算結果表明了該建模方法的正確性和有效性，對通常用FDTD 方法進(jìn)行建模有重要意義。
引言
時(shí)域有限差分( FDTD，finite difference time domain) 方法作為電磁場(chǎng)的一種數值計算方法在電磁散射、微波器件仿真研究、天線(xiàn)輻射分析等方面得到廣泛應用。在眾多的應用中，針對各種類(lèi)型的目標，如何正確有效地建立模型，并對適用于FDTD方法的目標進(jìn)行離散化的網(wǎng)格處理成為至關(guān)重要的問(wèn)題。事實(shí)上，建模是任何一個(gè)電磁計算軟件必備的組成部分，如XPATCH 軟件的代碼中，電磁部分有3 萬(wàn)條程序，而建模部分卻有1. 5 萬(wàn)條程序，由此可以看出幾何-電磁建模的復雜程度和工作量。
傳統的FDTD 程序建模方法只能分析一些簡(jiǎn)單的幾何模型，遇到復雜目標，往往要求將其按幾何外形特點(diǎn)來(lái)拆分，剖分好后再將各部件拼接在一起。這種方式不僅耗費計算機內存，建模周期長(cháng)，而且拼接部件時(shí)可能出現空氣間隙或模型重疊，對分析結果有較大影響。李明之等提出用CAD軟件建模，采用Auto LISP 語(yǔ)言用一個(gè)立方體元胞掃描模型計算空間來(lái)得到離散化的網(wǎng)格模型; 劉建勇等用VBA 語(yǔ)言實(shí)現了這一方法，且VBA 運行速度比Auto LISP 快，兼容性較強，開(kāi)發(fā)出的程序可以在其他系統上應用; 張秋菊等用VBA 切割實(shí)體模型并保存為圖形交換文件，從后續Fortran 程序提取出模型網(wǎng)格信息。
本文提出的建模方法直接用商業(yè)建模軟件AutoCAD 建立目標模型，模型離散處理之后將網(wǎng)格數據導入到FDTD 程序中計算。本文中網(wǎng)格剖分采用實(shí)體切割的方法，比文獻提出的元胞掃描法更節省時(shí)間和內存; 而且，在模型離散化的同時(shí)直接輸出模型的幾何- 電磁參數描述文件，省去了文獻中用Fortran 程序提取模型網(wǎng)格信息的步驟; 另外，本文作者在模型離散化時(shí)對模型邊界上的元胞作了一定的判斷處理，使建模結果更為準確。這種建模技術(shù)很好地利用了AutoCAD 三維建模和圖形處理的優(yōu)勢，將其與時(shí)域有限差分法結合，從而在電磁計算方面更加準確和方便，真正實(shí)現FDTD 方法的實(shí)用化。
1) 無(wú)論是水平極化還是垂直極化，AutoCAD 建模的計算結果跟矩量法符合得很好，驗證了建模方法的正確性。而且，與矩量法相比，采用AutoCAD建�？偙葌鹘yFDTD 程序建模更符合其結果;
2) 水平極化情況下，與矩量法相比，在高頻區域采用AutoCAD 建�；蚴荈DTD 程序建模都存在著(zhù)一定的數值誤差，這是由于入射高斯脈沖所含的高頻分量較少，即網(wǎng)格剖分比較粗糙所致;
3) 垂直極化情況下，在0. 46GHz 頻率左右，AutoCAD 建模的計算結果出現了一定的偏移，這是由于模型離散化是采用階梯邊界來(lái)近似代替原目標的邊界，帶有一定的數值誤差，尤其是邊界處部分立方體的體積值正好等于剖分步長(cháng)乘積的一半，離散化時(shí)會(huì )出現細節丟失現象，不過(guò)3 個(gè)方向上這些立方體的數目較少，不會(huì )對計算果產(chǎn)生太大影響。
4、結束語(yǔ)
本文采用AutoCAD 建立目標的三維模型，調用VBA 按照一定的算法對目標進(jìn)行適應FDTD 方法的網(wǎng)格化處理，同時(shí)生成相應的幾何-電磁參數描述文件，通過(guò)接口與FDTD 計算程序有機結合，實(shí)現了目標建模與電磁散射特性分析一體化，并通過(guò)算例驗證了該技術(shù)的正確性和可行性。這種建模技術(shù)極大地發(fā)揮了AutoCAD 在三維建模方面的優(yōu)勢，省去了繁瑣的程序拆分建模過(guò)程，大大減輕了用戶(hù)工作量，而且可以處理不規則幾何體或復雜目標，從而將FDTD 的實(shí)用化提高到一個(gè)新的高度，具有重要的現實(shí)意義。
