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多层/多孔材料在特定几何剖分下电磁时域有限差分法的散射分析

张玉贤 杨子江 黄志祥 冯晓丽 冯乃星 杨利霞

张玉贤, 杨子江, 黄志祥, 冯晓丽, 冯乃星, 杨利霞. 多层/多孔材料在特定几何剖分下电磁时域有限差分法的散射分析[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250348
引用本文: 张玉贤, 杨子江, 黄志祥, 冯晓丽, 冯乃星, 杨利霞. 多层/多孔材料在特定几何剖分下电磁时域有限差分法的散射分析[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250348
ZHANG Yuxian, YANG Zijiang, HUANG Zhixiang, FENG Xiaoli, FENG Naixing, YANG Lixia. Electromagnetic Finite-Difference Time-Domain Scattering Analysis of Multilayered/Porous Materials in Specific Geometric Meshing[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250348
Citation: ZHANG Yuxian, YANG Zijiang, HUANG Zhixiang, FENG Xiaoli, FENG Naixing, YANG Lixia. Electromagnetic Finite-Difference Time-Domain Scattering Analysis of Multilayered/Porous Materials in Specific Geometric Meshing[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250348

多层/多孔材料在特定几何剖分下电磁时域有限差分法的散射分析

doi: 10.11999/JEIT250348 cstr: 32379.14.JEIT250348
基金项目: 通信作者:黄志祥 07027@ahu.edu.cn:国家自然科学基金(62101333, 62531001);2024年安徽省高校理工科教师赴企业挂职实践计划项目(2024jsqygz02);2024年安徽省研究生教育质量工程任务(2024cxcyjs004)
详细信息
    作者简介:

    张玉贤:男,副教授,研究方向为计算电磁学、电磁逆时偏移成像技术

    杨子江:男,博士研究生,研究方向为计算电磁学、复杂几何建模设计

    黄志祥:男,教授,研究方向为计算电磁学、多物理场理论研究

    冯晓丽:女,助理工程师,研究方向为集成电路工艺设计

    冯乃星:男,副教授,研究方向为计算电磁学、机器学习

    杨利霞:男,教授,研究方向为时域有限差分法、等离子体物理

  • 中图分类号: TN95; O441.4

Electromagnetic Finite-Difference Time-Domain Scattering Analysis of Multilayered/Porous Materials in Specific Geometric Meshing

Funds: National Natural Science Foundation of China (62101333, 62531001), 2024 Program for Teachers of Science and Engineering in Colleges and Universities of Anhui Province to Take Temporary Positions in Enterprises (2024jsqygz02), 2024 Task of Postgraduate Education Quality Project of Anhui Province (2024cxcyjs004)
  • 摘要: 时域有限差分法(FDTD)作为计算介质电磁特性的有效方法,往往受到模型结构及其网格剖分的预处理限制。为了探究多层/多孔材料的电磁散射特性问题,提高电磁仿真的计算效率,该文提出一种基于FDTD的电磁分析加速方案。通过计算几何算法来快速完成复杂材料的Yee网格划分,由三维体素数组定义材料构建分布矩阵与电磁分量的统一排布,针对体素数据的特点实现了非解析几何介质的雷达散射截面的高效计算。现今大多数体网格剖分需要解析公式来描述几何体,该文开创性地将射线求交法与有向距离相结合,并通过切平面与交点计算减少网格生成过程中的无效遍历、降低几何运算复杂度,加速实现多孔非解析几何体的电磁参数网格化定义。该文设计了3种关于多层/多孔材料的时域电磁分析场景,计算了这些场景在不同条件下的雷达散射截面。与主流电磁仿真软件任意复杂电磁场计算(FEldberechnungbei Korpern mit beliebiger Oberflache, FEKO)、计算机仿真技术(Computer Simulation Technology, CST)和高频结构仿真软件(High Frequency Structure Simulator, HFSS)的计算相比,该方法的计算数据呈现出高度的吻合性,表现出了优越的效率。电磁分析加速方案拓展了使用FDTD进行电磁仿真的介质结构及材料类型,在保证计算精度的前提下显著节省了计算时间与内存,为体网格剖分加速和内部结构处理提供了新的研究思绪。
  • 图  1  波音737喷气式客机模型及不同精度下立方体网格结构

    图  2  射线求交法交点奇偶性判别法的缺陷

    图  3  网格生成算法整体流程图

    图  4  3层介质球在斜入射高斯光源下的模型图和立方体网络结构图

    图  5  3层介质球在xOy,xOzyOz 平面下的1 GHz双站RCS极坐标计算结果

    图  6  随机位置空腔的矩形盒与入射光源示意图

    图  7  多孔介质矩形盒在xOy, xOz, yOz 平面下的1 GHz双站RCS极坐标计算结果

    图  8  双层多孔固液介质球的网格结构及入射光源示意图与高密度下网格结构图

    图  9  双层多孔介质球在xOy, xOz, yOz 平面下的1 GHz双站RCS极坐标计算结果

    表  1  传统及加速算法在不同精度下的网格数与计算耗时对比

    方法模型标号网格总数有效网格数标准计算耗时 (s)内存峰值 (GB)CPU占用率 (%)网格边长 (m)
    遍历剖分-764 2097 71811.740.73110.5
    (b)3 018 600298 87148.281.05130.25
    (c)9 773 11499 170269.671.40210.15
    加速算法-764 2097 7182.241.27120.5
    (b)3 018 600298 87112.081.75180.25
    (c)9 773 11499 17087.832.26240.15
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    表  2  有符号距离与射线求交法结合判别几何位置

    交点个数距离的正负网格点位置
    奇数负数模型内部
    奇数正数孔洞外表面附近
    偶数正数模型外部
    偶数负数孔洞内部
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    表  3  3层球体下4种方法的范数误差与计算资源对比

    方法每波长采样(PPW)网格数内存CPU时间(s)L2范数误差(×10–2)
    FDTD8.94250 047244.10 MB16.274.35
    FEKO12.004 2521.31 GB398.933.15
    CST5.004 2321.27 GB131.025.37
    HFSS4.7828 347341.45 MB27.094.79
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    表  4  多孔各向同性矩形盒的范数误差与计算资源对比

    方法每波长采样(PPW)网格数内存(MB)CPU时间(s)L2范数误差
    FDTD26.83575 113410.716.273.21×10–3
    FEKO12.003 212567.4230.182.51×10–2
    CST5.002 814783.522.623.78×10–2
    HFSS3.4410 210482.727.322.91×10–2
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    表  5  双层多孔介质球的范数误差与计算资源对比

    方法每波长采样(PPW)网格数内存CPU时间(s)L2范数误差(×10–2)
    FDTD18.671 984 500574.15 MB26.345.65
    FEKO12.003 358606.11 MB207.974.22
    CST5.002 882779.32 MB28.565.47
    HFSS16.7437 9002.26 GB57.424.12
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-05-06
  • 修回日期:  2025-10-10
  • 网络出版日期:  2025-10-20

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