电磁散射与微波电路分析的并行加速技术

摘要

随着以电磁波为载体的移动通信、卫星通信、军民用雷达等电子系统的不断发展,三维电磁场数值仿真日益成为开展系统关键器件设计、系统内电磁兼容等研究工作的一种重要手段。为了有效地对三维电磁场进行数值建模,开发快速而精确的电磁计算方法一直是研究人员的关注重点。为实现这个目标,本文从计算机并行硬件和数值算法两个途径出发,研究了图形处理器(GPU)并行加速、CPU集群并行、时域谱元方法(SETD)等技术,并将这些技术应用于雷达目标电磁散射特性研究、微波毫米波电路尤其是有源非线性电路的电磁分析中。电磁算法必须在计算机硬件上执行才能获得对电磁现象的模拟能力。执行电磁算法的传统硬件平台是中央处理器(CPU)。GPU并行加速技术是计算机科学最新的前沿发展,大量研究表明GPU可以比CPU更快地完成浮点运算。本文首先简要介绍了GPU的硬件体系结构,阐述了两种把GPU运用于数值计算的编程方法。一种是图形编程方法,即用像素、纹理等图形学元素表达数值计算的算法。采用图形编程方法,本文实现了GPU对迭代物理光学法(IPO)的加速,用于分析腔体的电磁散射问题。另外一种是使用NVIDIA公司的统一计算设备(CUDA)函数库,该应用程序员接口(API)使得GPU编程的难度大大降低。
　　 本文在CUDA编程模型下,研究了基于可编程GPU的多层快速多级子(MLFMA)方法。该方法通过把MLFMA的聚集、转移、配置部分映射成具有单指令多数据流(SIMD)特性的核函数然后由GPU的多个处理器上并行执行,降低了MLFMA算法完成矩阵矢量乘的时间。这两个应用举例表明,借助图形编程方法或者CUDA接口,在传统电磁数值算法中引入GPU加速手段是完全可行的。GPU加速技术在微分类电磁数值算法中也有很好的应用。在棱边有限元分析电磁散射的问题中,本文研究了一种基于GPU的FSAI预条件技术(GPU-FSAI)应用于CG求解器。使用GPU-FSAI技术既可以有效地改善CG求解器的迭代收敛性能,同时有效地降低了FSAI预条件矩阵的施加和CG求解器中矩阵矢量乘操作的时间开销。在无条件稳定的Crank-Nicolson FDTD(CN-FDTD)方法中,本文提出了一种基于GPU的Bi-CGSTAB求解器。该方法使用CUDA的多线程编程模型把Bi-CGSTAB算法完全移植到GPU上执行,从而显著地降低了CN-FDTD的求解时间。以上应用充分证明了GPU可以作为CPU的协处理器有效地加速电磁数值算法,同时能保证计算结果的正确性。unn氏振荡源是通信、雷达等电子信息系统中广泛使用的一类非线性信号源。由于具有瞬态分析非线性电路的优点,时域电磁方法比频域方法更适合Gunn氏振荡源的分析。时域谱元法(SETD)是国际上一种比较新颖的时域方法,该方法采用曲面六面体离散,而且具有显式求解特性。但传统的SETD方法不能直接应用于非线性有源电路的分析。因而本文基于SETD提出了一种新的时域电磁场.电路混合算法(称为扩展的SETD方法)实现了对Gunn氏振荡源的快速分析。该方法把Gunn管的物理特性用一个非线性等效电路表征,同时考虑了Gunn管和外围电路之间的电磁耦合。另外还采用矩阵重排技术保留了传统SETD方法的显式求解特性。使用该方法成功地对复杂微带型和波导型两种微波Gunn氏振荡源进行了快速仿真。尽管SETD是一种显式的时域电磁算法,但当需要的时间迭代步数很多或者求解的未知量很大使得单个时间步求解很缓慢时,计算仿真的总时间将大大增加,有时甚至不可忍受。为了进一步提高SETD方法分析电磁问题的速度,本文分别研究了GPU技术和CPU集群技术对SETD方法的加速。使用CUDA编程模型把SETD的时间步进操作移植到GPU上执行,可以大大缩减SETD的执行时间。对于大未知量的电磁数值分析,本文基于流行的MPI库开发了运行于计算机集群系统的并行SETD方法。在深入分析节点间通信的基础上,设计了一种将计算机各个节点间的通信量降到最低的通信方案。数值实验表明该并行SETD方法同时降低了每个计算节点的内存消耗量和总的仿真时间。为方便研究使用,基于并行的SETD方法还开发了一款电磁分析软件,可以为有源、无源微波毫米波电路提供快速有效的时域电磁仿真。
　　 本文将并行的扩展SETD方法应用于Gunn氏振荡源中基波注入锁定和分谐波注入锁定现象的研究。注入锁定是一种重要的非线性现象,广泛用于通信、雷达系统实现稳频、功率放大等功能。在数值实验中观察到了注入锁定和注入失锁的现象,同时研究了振荡源的锁定状态随注入信号的频率和强度的变化规律。研究内容证明并行的扩展SETD方法可以为注入锁定器件、系统的分析和设计提供一种快速可行的手段。