[發明專利]一種三維FEM混合二維FMM的電磁場預測方法

有效

• 申請號: 201711116920.X
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN109783829B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發明（設計）人: 趙勛旺;左勝;張玉;林中朝;袁峰
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 上海宣宜專利代理事務所(普通合伙) 31288
• 代理人: 劉君

本發明的三維FEM混合二維FMM的電磁場預測方法，首次創新性地提出三維FEM混合二維FMM的電磁場計算方法，通過FEM計算、二維FMM分析、散射場疊加等方法步驟，實現仿真模擬城市住房在各相關電磁輻射源輻射情況下的室內電磁場分布，該方法充分結合了FEM處理復雜材料、結構目標的能力與二維FMM處理超電大目標或環境的能力，為實現諸如高層建筑室內、室外電磁場分布預測等民生熱點問題提供了一種高效可行的手段；相比于傳統的電磁場預測的高頻方法，本技術計算精度更高，效率更高，可求解問題規模更大；并且對高樓建筑采用二維建模，解決了傳統方法需要采用三維建模的復雜性，對城市高樓建筑群可自動實現快速二維生成。

技術領域

本發明屬于電磁場與微波技術領域，具體涉及一種三維FEM混合二維FMM的電磁場預測方法。

技術背景

現有的監測電磁場的主要方法是實驗測量，這種方法是在基站天線輻射的情況下通過測量的方式對居民室內的電磁場分布情況進行預測，首先這種方法無法排除測量人員以及測試探頭對電磁場的干擾，其次，這種方法需要花費大量的人力、物力、財力，無法滿足日益增長的需求。監測電磁場還有一種常用方法是數值計算，比如采用全波方法——矩量法(MoM)結合高性能計算技術進行數值計算模擬，這種方法雖然計算精度高，但是對計算資源的需求較大、代價較高，同時能處理的問題規模也存在一定限制，難以滿足實際需求。

因此，針對以上缺陷，需要對現有技術進行有效創新。

發明內容

鑒于上述現有技術的不足之處，本發明的目的在于提供一種三維FEM混合二維FMM的電磁場預測方法，旨在實現準確高效地仿真模擬城市住房在電磁源輻射情況下的室內電磁場分布，為大型基站天線等設備的合理布局架設提供理論依據的目的。

為了達到上述目的，本發明采取了以下技術方案：

一種三維FEM混合二維FMM的電磁場預測方法，包括以下步驟：

步驟S1：確定選定電磁場分布區域所在平面，獲取二維FMM入射場激勵輸入的高斯積分采樣點；

步驟S2：對室外電磁輻射源設備進行幾何建模、三維FEM參數設置以及網格剖分操作，獲取三維FEM計算所需的輸入信息；

步驟S3：采用三維FEM計算步驟S1中獲取的高斯積分采樣點處的散射場E_S-G、H_S-G，計算步驟S1中獲取的選定電磁場分布區域場點處產生的散射場E_S、H_S，具體操作如下：

步驟S301：并行構建有限元稀疏矩陣系統方程AX＝B，采用高效并行稀疏矩陣求解器求解矩陣方程得到電場基函數系數向量X；

步驟S302：根據電場基函數系數向量X，得到惠更斯面上的電場強度E_e、磁場強度H_e，進一步得到惠更斯面上的電磁流分布

步驟S303：根據惠更斯面上的電磁流J，M，采用如下積分方程計算選定電磁場分布區域場點r處的散射場值：

其中，j為虛數單位，k為媒質空間波數，η為媒質空間波阻抗，r′為源點坐標，R為場點到源點的距離，G(R)為均勻媒質空間格林函數；

步驟S4：將散射場E_S-G、H_S-G分解為TE波與TM波，其中，對于TE波，E_z＝0，對于TM波，H_z＝0；

步驟S5：將TE波作為入射場激勵，通過二維FMM計算得到選定區域場點處的散射場分布E_S-TE、H_S-TE；