一种基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法

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，

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。

对于这些区域，按照传统的网格剖分尺度要求来剖分，精度通常不够；而不加区分的这些边缘处的网格进行加密，则会导致网络剖分过密，导致未知数过多，从而影响仿真效率。如果任由软件自行剖分，可能难以捕捉金属层边缘边处等效电磁流的复杂分布，从而影响仿真精度。本发明提出一种兼顾效率和精准度的解决办法来解决这一问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法，用于提高仿真精度和效率。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了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；

沿着所述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；

根据所述标记设置天线端口，并设置求解条件；

根据所述网格剖分辅助线对所述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；

根据所述求解条件和所述剖分网格信息进行电磁仿真。

另外，根据本发明上述实施例的一种基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述利用几何建模工具建立天线的几何结构，包括：

使用FEKO软件的建模工具对天线进行建模，并以IGES或STEP格式保存。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述沿着所述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，包括：

以贴片天线工作的中心频率为基准，确定网格剖分辅助线距离贴片边缘的距离；

根据所述距离添加网格剖分辅助线。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述以贴片天线工作的中心频率为基准，确定网格剖分辅助线距离贴片边缘的距离，包括：

通过公式计算网格剖分辅助线距离贴片边缘的距离，表示如下：

，

其中，

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述标记设置天线端口，并设置求解条件，包括：

使用离散求解设置求解频率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述网格剖分辅助线对所述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，包括：

利用网格剖分软件或者电磁仿真软件自带的网格剖分工具，对天线结构进行网格三角形单元剖分。

为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真装置，包括以下模块：

构建模块，用于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；

添加模块，用于沿着所述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；

设置模块，用于根据所述标记设置天线端口，并设置求解条件；

划分模块，用于根据所述网格剖分辅助线对所述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；

求解模块，用于根据所述求解条件和所述剖分网格信息进行电磁仿真。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述添加模块，还用于：

以贴片天线工作的中心频率为基准，确定网格剖分辅助线距离贴片边缘的距离；

根据所述距离添加网格剖分辅助线。

为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的一种基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法。

为达上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的一种基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法。

本发明实施例提出的基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法，通过增加网格剖分辅助线，对金属贴片与介质基板边缘处的网络剖分进行适当的约束，保证了仿真结果的精确性。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例所提供的一种基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法的流程示意图。

图2为本发明实施例所提供的一种天线模型示意图。

图3为本发明实施例所提供的一种天线局部样式网格剖分辅助线示意图。

图4为本发明实施例所提供的划分网格结果示意图。

图5为本发明实施例所提供的一种基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真装置的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法。

图1为本发明实施例所提供的一种基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法的流程示意图。

如图1所示，该基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法包括以下步骤：

S101：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；

建立天线模型，可以利用常用的几何软件或者电磁仿真软件（如Altair FEKO）的自带几何建模工具，建立所设计天线的几何结构，并对天线馈电和阻抗加载端口的面、线进行标记。本发明使用FEKO软件自带的建模工具对天线进行建模，建立的天线模型如图2所示。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述利用几何建模工具建立天线的几何结构，包括：

使用FEKO软件的建模工具对天线进行建模，并以IGES或STEP格式保存。

S102：沿着所述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；

利用矩量法对天线模型进行仿真时，需要划分网格，这是影响仿真结果的极其重要一步。对于表面电流密度较小的部分，例如接地板、介质板等，可以相对稀疏地划分网格；对于一些电流密度较大的部分，例如贴片、探针等，可以相对密地划分网格，以此提高天线仿真的效率和精度。

但是在天线贴片的边缘，由等效电磁流的急剧变化，若是使用较为稀疏的网格，可能无法完全体现电磁环境的变化，导致仿真结果误差变大，对于贴片尺寸较小的天线更是如此。所以本发明在贴片附近添加网格剖分辅助线，以使附近的网格划分得更密，仿真结果更加准确。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述沿着所述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，包括：

以贴片天线工作的中心频率为基准，确定网格剖分辅助线距离贴片边缘的距离；

根据所述距离添加网格剖分辅助线。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述以贴片天线工作的中心频率为基准，确定网格剖分辅助线距离贴片边缘的距离，包括：

通过公式计算网格剖分辅助线距离贴片边缘的距离，表示如下：

，

其中，

确定好距离之后，便可以画线，在FEKO软件中，可以先在转角处画点，然后将点连起来，便添加好了网格剖分辅助线。如图3所示，为在金属贴片内外添加网格剖分辅助线示意图。

S103：根据所述标记设置天线端口，并设置求解条件；

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述标记设置天线端口，并设置求解条件，包括：

使用离散求解设置求解频率。

本发明使用edge端口馈电，一共有六个端口。之后进行求解设置。若想求解S参数，需要添加S参数求解设置；若想求解天线远场辐射，需要设置天线远场，每个端口添加1V电压。在设置求解频率时，最好选择离散求解，这时FEKO软件会依次求解每个点的结果，扫参结果精度较高。

S104：根据所述网格剖分辅助线对所述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；

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述网格剖分辅助线对所述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，包括：

利用网格剖分软件或者电磁仿真软件自带的网格剖分工具，对天线结构进行网格三角形单元剖分。

FEKO软件自带网格剖分工具，对天线结构进行网格三角形单元剖分，并记录端口所在三角形单元编号。使用该软件进行仿真的一般流程包括，建立模型、网格划分、求解设置后便可开始求解。本发明将在网格划分之前，先加入网格划分辅助线，以影响网格划分结果。图4为添加网格划分辅助线前后网格划分情况对比；其中a部分为未添加辅助线时的网格划分情况；b部分为添加辅助线后网格划分情况；可以看到，添加网格划分辅助线之后，金属贴片边缘处的网格变得更加密集.

S105：根据所述求解条件和所述剖分网格信息进行电磁仿真。

本发明实施例提出的基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法，通过增加网格剖分辅助线，对金属贴片与介质基板边缘处的网络剖分进行适当的约束，保证了仿真结果的精确性。

为了实现上述实施例，本发明还提出基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真装置。

图5为本发明实施例提供的一种基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真装置的结构示意图。

如图5所示，该基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真装置包括：构建模块100，添加模块200，设置模块300，划分模块，400，求解模块500，其中，

构建模块，用于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；

添加模块，用于沿着所述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；

设置模块，用于根据所述标记设置天线端口，并设置求解条件；

划分模块，用于根据所述网格剖分辅助线对所述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；

求解模块，用于根据所述求解条件和所述剖分网格信息进行电磁仿真。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述添加模块，还用于：

以贴片天线工作的中心频率为基准，确定网格剖分辅助线距离贴片边缘的距离；

根据所述距离添加网格剖分辅助线。

为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法。

为达上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于矩量法的含介质基板天线电磁仿真方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。