摘 要

当今社会，随着信息化进程逐步加快，人类的电磁波也慢慢覆盖了地球上的每一个角落。从我们的社会生活工作到军事，航天方面，无不需要考虑到周围电磁环境造成的影响，因此对电磁环境的仿真是人类必须深入研究的方向。

本文主要针对复杂电磁环境仿真，分析现有电磁计算软件的适用性，选择合适的电磁仿真软件建立简单天线结构的仿真模型，计算其在自由空间中的电磁辐射场。

本文首先对国内外对电磁环境仿真的研究现状进行了对比，调查了现在国内外相关的研究方向以及进度，分析了现有电磁计算方法的理论依据、优缺点及其适用范围。然后对三大电磁仿真软件HFSS、CST、FEKO进行了比对，知道了它们各自的特点以及试用性，对它们的主要算法时域有限积分法FITD、矩量法MoM、多层快速多级子MLFMM等算法也做了一定程度的研究。随后用FEKO软件建立了简单的喇叭天线模型，得出了其近场和远场的磁场分布情况。从实际上对电磁环境的做了进一步的剖析。

关键词： 电磁环境；FEKO仿真；天线模型；矩量法MoM

Abstract

In today's society, with the gradual acceleration of information technology, human electromagnetic waves are slowly covering every corner of the earth. From our social life and work to military and space affairs, we all need to consider the influence caused by the surrounding electromagnetic environment. Therefore, the simulation of the electromagnetic environment is the direction that human beings must study in depth.

This paper mainly aims at the simulation of complex electromagnetic environment, analyzes the applicability of the existing electromagnetic calculation software, selects the appropriate electromagnetic simulation software, establishes the simulation model of simple antenna structure, and calculates its electromagnetic radiation field in free space.

This graduation project first compares the current research status of electromagnetic environment simulation at home and abroad, investigates the current research directions and progress at home and abroad, and analyzes the theoretical basis, advantages and disadvantages, and scope of application of the existing electromagnetic calculation methods. Then, the three electromagnetic simulation software HFSS, CST and FEKO are compared, and their respective characteristics and trial applicability are known. their main algorithms such as finite integral method fit in time domain, moment method mom, multilayer fast multilevel sub MLFMM and other algorithms are also studied in a certain depth .Afterwards, a simple horn antenna model is established by FEKO software, and the magnetic field distribution in the near and far fields is obtained. In fact, we have a further understanding of the simulation of the electromagnetic environment.

Keywords: Electromagnetic environment; FEKO simulation; Antenna model; Method of Moments

目 录

第1章 绪论 1

1.1电磁环境与生活 1

1.2国内外电磁环境仿真发展现状 1

1.3 本文主要研究内容 2

第2章 电磁仿真技术及软件分析 3

2.1 HFSS 3

2.2 CST 4

2.3 FEKO 5

第3章 喇叭天线原理及设计 8

3.1 天线的主要参量 8

3.1.1 天线的工作带宽 8

3.1.2 辐射方向图 8

3.1.3 方向系数、效率和增益 9

3.1.4 极化特性 10

3.2喇叭天线原理 10

3.3喇叭天线设计 12

3.3.1波导的选择 12

3.3.2喇叭的尺寸设计 12

3.3.3喇叭和波导的尺寸配合 13

第4章 基于FEKO的喇叭天线仿真 14

4.1角锥喇叭天线近场增益的理论值计算 14

4.2 使用CADFEKO建立模型 15

4.3 设计求解参数 16

4.4 使用POSTFEKO获取仿真结果 17

第五章 总结和展望 20

5.1 总结 20

5.2 展望 20

参考文献 21

致谢 22

绪论

1.1电磁环境与生活

现代社会，信息化进程日益加快，空间中的电磁环境变得十分复杂，关于电磁空间斗争日益剧烈，对民用通信和军事方面的活动产生了严重的影响。

在民用生活方面，随着城市无线电技术的极速发展，电磁波传播理论已经广泛应用到了广播电视、城市交通、高压电力、移动通信等各个领域。广播电视发射塔、基站天线、轨道车辆、高压输电线受强辐射源产生的电磁辐射，让城市建筑处于十分复杂的电磁环境中^[1]。所以，建筑里电磁环境有没有超标，建筑里的电子仪器是不是安全的问题更加受到关注。通过了解电磁波在不同的建筑材料中的电磁传播特性，从而针对不同用途建筑物设计了相应的电磁防护方案。例如，关于在室内手机网络的强度，居民建筑没有对电磁防护做要求；为了不让外部环境电磁干扰室内敏感仪器设备，医疗器械室、计量测量室等建筑物建议都有很高的电磁波衰减性能；在市中心的一些政府军队敏感部门，为了保证电磁信息的安全，办公建筑需加固墙体电磁设计，和外界电磁环境进行隔离^[2]。

在战场上，作战单元间用无线电波来通信，这些都会被电磁环境所影响，因此掌控复杂电磁环境的程度直接决定了作战指挥的控制效率。这个主要可以表现在三个方面。首先，影响数据传输的连续性。当我方的电子通信设备被敌方电子对抗技术干扰的时候，正在传输中的数据非常可能被中断，直接造成通信的中断等严重的问题。另外，我军的数据传输也会被我军的电磁设备影响。其次，会让传递的数据产生很多的误差。虽然一般情况电磁环境并不会使直接让通信或者数据传输中断，但是可能会造成另一个严重问题，即数据的正确性或者通信质量受到严重影响，造成信息的失真。而且，敌方可能伪造信息来影响我方指挥决策者的判断和决策，来影响战争的走势。最后，影响部队协同的效率。信息化作战对参战方高实时性和协调性要求很高，要让指挥宫或决策者能对各种力量进行统一的部署^[3]。首先，信息集成设备先进与否会影响部署的协同性，另外，信息抗干扰性又破坏了整体的一致性。所以说，电磁环境仿真是非常必要的。

1.2国内外电磁环境仿真发展现状

现代信息化战争慢慢成为趋势，国际上军事强国们才纷纷开始研究战场上的复杂电磁环境，开始大力开发信息系统来进行复杂电磁环境仿真。欧美国家在对复杂电磁环境做了很多的实验之后，最终开创了功能十分强大的战争推演系统。这些系统里有美国开发的SIMNET虚拟战场环境系统和分布式NPSNET-V系统，以及英国开发的AVIARY系统，它们可以依据当前的电磁场分布数据来显示出虚拟战场，来指导我方决策者做出最佳的判断和决策，但是这些系统还没有实现复杂电磁仿真的功能^[4]。

由目前已知的文献来看，国内基本上没有文献专门针对复杂军事电磁环境的建模仿真问题，仅有的一些文献也只是对武器装备周围的局部电磁环境的研究，而且研究方法也就那两种：一种将各种环境都导入现有的电磁仿真软件里面，但它们基本上都只是将多种电磁辐射源的复杂情况抽象简化味一种单辐射源的模型，并没有能实现复杂地理环境下的电磁仿真。第二种是设法将将电磁仿真的数据加入地理环境当中，例如GIS系统，但是这种系统里没有相关的算法实现，是没有仿真功能的^[6]。综合一下就能看出，国内的复杂电磁环境仿真现在才刚刚起步，还没能开发出合适的相关仿真软件，专业领域的通用条例和规范还没有健全，现在是以理论研究为主。

对复杂电磁环境建模仿真大体上有两个方向：一是对局部环境可以精细的建模，例如飞机、汽车内部的复杂结构，以研究它们的电磁特性。第二个是特定的电磁波怎样在复杂的电磁环境里（例如各种不规则的地形以及其中的植物和大气带来的影响）传播，而对局部复杂环境的建模和良好的电磁传播模型这两点也就是电磁环境仿真主要的障碍了^[7]。

1.3 本文主要研究内容

本文主要搜集整理国内外电磁计算理论相关文献，了解电磁计算理论的发展历史、现状及趋势，以及电磁计算理论发展历史中的重大突破的背景和影响，以理解电磁环境仿真在解决实际工程问题中的背景和意义；后搜集整理了国内外现有电磁计算方法的理论依据、优缺点及其适用范围。针对复杂电磁环境仿真，分析现有电磁计算软件的适用性，选择FEKO软件，建立简单天线结构的仿真模型，计算了其在自由空间中的电磁辐射场。

电磁仿真技术及软件分析

在电磁仿真领域，基于麦克斯韦的电磁理论，后来又有人尝试用数值算法代替数学解析式，从而用电脑把人脑解放出来。于是，就有了我们现在电磁仿真领域常用的矩量法（MoM）、时域有限差分法（FDTD）、有限元法（FEM）、传输线矩阵法（TLM）和部分元等效电路（PEEC）等全波算法。现有的全波仿真商业软件没有跑出这些算法的圈子，因此了解了这些算法的特性，也就知道如何选用恰当的商业仿真软件：

MoM将导体分成电小尺寸单元，通过计算所有导体单元上的电流（常数），得到所有导体电流单元总体产生的电磁场；

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