适应FDTD方法的AutoCAD高效建模技术与应用

　　针对时域有限差分( FDTD) 方法在计算电磁散射等所遇到的精确有效建模问题，采用AutoCAD 建立目标的三维模型，调用VBA 程序进行适应FDTD 计算的目标网格离散处理，生成相应的几何- 电磁参数描述文件，并建立该文件与FDTD 求解程序结合的计算程序接口，实现了有效、快速和精确建模手段，可以实现从目标建模到电磁特性分析一体化。作为应用，对金属球、金属抛物面旋转体和金属球部分体3 个结构进行了建模、运算的实例仿真计算，计算结果表明了该建模方法的正确性和有效性，对通常用FDTD 方法进行建模有重要意义。

　　引言

　　时域有限差分( FDTD，finite difference time domain) 方法作为电磁场的一种数值计算方法在电磁散射、微波器件仿真研究、天线辐射分析等方面得到广泛应用。在众多的应用中，针对各种类型的目标，如何正确有效地建立模型，并对适用于FDTD方法的目标进行离散化的网格处理成为至关重要的问题。事实上，建模是任何一个电磁计算软件必备的组成部分，如XPATCH 软件的代码中，电磁部分有3 万条程序，而建模部分却有1. 5 万条程序，由此可以看出几何-电磁建模的复杂程度和工作量。

　　传统的FDTD 程序建模方法只能分析一些简单的几何模型，遇到复杂目标，往往要求将其按几何外形特点来拆分，剖分好后再将各部件拼接在一起。这种方式不仅耗费计算机内存，建模周期长，而且拼接部件时可能出现空气间隙或模型重叠，对分析结果有较大影响。李明之等提出用CAD软件建模，采用Auto LISP 语言用一个立方体元胞扫描模型计算空间来得到离散化的网格模型; 刘建勇等用VBA 语言实现了这一方法，且VBA 运行速度比Auto LISP 快，兼容性较强，开发出的程序可以在其他系统上应用; 张秋菊等用VBA 切割实体模型并保存为图形交换文件，从后续Fortran 程序提取出模型网格信息。

　　本文提出的建模方法直接用商业建模软件AutoCAD 建立目标模型，模型离散处理之后将网格数据导入到FDTD 程序中计算。本文中网格剖分采用实体切割的方法，比文献提出的元胞扫描法更节省时间和内存; 而且，在模型离散化的同时直接输出模型的几何- 电磁参数描述文件，省去了文献中用Fortran 程序提取模型网格信息的步骤; 另外，本文作者在模型离散化时对模型边界上的元胞作了一定的判断处理，使建模结果更为准确。这种建模技术很好地利用了AutoCAD 三维建模和图形处理的优势，将其与时域有限差分法结合，从而在电磁计算方面更加准确和方便，真正实现FDTD 方法的实用化。

　　1) 无论是水平极化还是垂直极化，AutoCAD 建模的计算结果跟矩量法符合得很好，验证了建模方法的正确性。而且，与矩量法相比，采用AutoCAD建模总比传统FDTD 程序建模更符合其结果;

　　2) 水平极化情况下，与矩量法相比，在高频区域采用AutoCAD 建模或是FDTD 程序建模都存在着一定的数值误差，这是由于入射高斯脉冲所含的高频分量较少，即网格剖分比较粗糙所致;

　　3) 垂直极化情况下，在0. 46GHz 频率左右，AutoCAD 建模的计算结果出现了一定的偏移，这是由于模型离散化是采用阶梯边界来近似代替原目标的边界，带有一定的数值误差，尤其是边界处部分立方体的体积值正好等于剖分步长乘积的一半，离散化时会出现细节丢失现象，不过3 个方向上这些立方体的数目较少，不会对计算果产生太大影响。

　　4、结束语

　　本文采用AutoCAD 建立目标的三维模型，调用VBA 按照一定的算法对目标进行适应FDTD 方法的网格化处理，同时生成相应的几何-电磁参数描述文件，通过接口与FDTD 计算程序有机结合，实现了目标建模与电磁散射特性分析一体化，并通过算例验证了该技术的正确性和可行性。这种建模技术极大地发挥了AutoCAD 在三维建模方面的优势，省去了繁琐的程序拆分建模过程，大大减轻了用户工作量，而且可以处理不规则几何体或复杂目标，从而将FDTD 的实用化提高到一个新的高度，具有重要的现实意义。