針對(duì)時(shí)域有限差分( FDTD) 方法在計(jì)算電磁散射等所遇到的精確有效建模問題，采用AutoCAD 建立目標(biāo)的三維模型，調(diào)用VBA 程序進(jìn)行適應(yīng)FDTD 計(jì)算的目標(biāo)網(wǎng)格離散處理，生成相應(yīng)的幾何- 電磁參數(shù)描述文件，并建立該文件與FDTD 求解程序結(jié)合的計(jì)算程序接口，實(shí)現(xiàn)了有效、快速和精確建模手段，可以實(shí)現(xiàn)從目標(biāo)建模到電磁特性分析一體化。作為應(yīng)用，對(duì)金屬球、金屬拋物面旋轉(zhuǎn)體和金屬球部分體3 個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模、運(yùn)算的實(shí)例仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明了該建模方法的正確性和有效性，對(duì)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) 方法作為電磁場的一種數(shù)值計(jì)算方法在電磁散射、微波器件仿真研究、天線輻射分析等方面得到廣泛應(yīng)用。在眾多的應(yīng)用中，針對(duì)各種類型的目標(biāo)，如何正確有效地建立模型，并對(duì)適用于FDTD方法的目標(biāo)進(jìn)行離散化的網(wǎng)格處理成為至關(guān)重要的問題。事實(shí)上，建模是任何一個(gè)電磁計(jì)算軟件必備的組成部分，如XPATCH 軟件的代碼中，電磁部分有3 萬條程序，而建模部分卻有1. 5 萬條程序，由此可以看出幾何-電磁建模的復(fù)雜程度和工作量。

　　傳統(tǒng)的FDTD 程序建模方法只能分析一些簡單的幾何模型，遇到復(fù)雜目標(biāo)，往往要求將其按幾何外形特點(diǎn)來拆分，剖分好后再將各部件拼接在一起。這種方式不僅耗費(fèi)計(jì)算機(jī)內(nèi)存，建模周期長，而且拼接部件時(shí)可能出現(xiàn)空氣間隙或模型重疊，對(duì)分析結(jié)果有較大影響。李明之等提出用CAD軟件建模，采用Auto LISP 語言用一個(gè)立方體元胞掃描模型計(jì)算空間來得到離散化的網(wǎng)格模型; 劉建勇等用VBA 語言實(shí)現(xiàn)了這一方法，且VBA 運(yùn)行速度比Auto LISP 快，兼容性較強(qiáng)，開發(fā)出的程序可以在其他系統(tǒng)上應(yīng)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(xù)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(biāo)模型，模型離散處理之后將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FDTD 程序中計(jì)算。本文中網(wǎng)格剖分采用實(shí)體切割的方法，比文獻(xiàn)提出的元胞掃描法更節(jié)省時(shí)間和內(nèi)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(shù)描述文件，省去了文獻(xiàn)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(duì)模型邊界上的元胞作了一定的判斷處理，使建模結(jié)果更為準(zhǔn)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(jié)合，從而在電磁計(jì)算方面更加準(zhǔn)確和方便，真正實(shí)現(xiàn)FDTD 方法的實(shí)用化。

　　1) 無論是水平極化還是垂直極化，AutoCAD 建模的計(jì)算結(jié)果跟矩量法符合得很好，驗(yàn)證了建模方法的正確性。而且，與矩量法相比，采用AutoCAD建模總比傳統(tǒng)FDTD 程序建模更符合其結(jié)果;

　　2) 水平極化情況下，與矩量法相比，在高頻區(qū)域采用AutoCAD 建模或是FDTD 程序建模都存在著一定的數(shù)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(jì)算結(jié)果出現(xiàn)了一定的偏移，這是由于模型離散化是采用階梯邊界來近似代替原目標(biāo)的邊界，帶有一定的數(shù)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乘積的一半，離散化時(shí)會(huì)出現(xiàn)細(xì)節(jié)丟失現(xiàn)象，不過3 個(gè)方向上這些立方體的數(shù)目較少，不會(huì)對(duì)計(jì)算果產(chǎn)生太大影響。

　　4、結(jié)束語

　　本文采用AutoCAD 建立目標(biāo)的三維模型，調(diào)用VBA 按照一定的算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行適應(yīng)FDTD 方法的網(wǎng)格化處理，同時(shí)生成相應(yīng)的幾何-電磁參數(shù)描述文件，通過接口與FDTD 計(jì)算程序有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)建模與電磁散射特性分析一體化，并通過算例驗(yàn)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程，大大減輕了用戶工作量，而且可以處理不規(guī)則幾何體或復(fù)雜目標(biāo)，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(xiàn)實(shí)意義。