机箱电磁耦合问题的大规模并行FDTD实现

摘要

时域有限差分法(FDTD)是一种有效的电磁场数值求解方法。其简单、灵活且易于并行,现已被广泛应用于各种复杂的电磁仿真分析。本文主要致力于适于大规模并行FDTD及其实用中的关键技术研究,并以机箱的电磁耦合为背景展开。研究的主要内容包括:JASMIN框架下的大规模并行FDTD实现研究；适于大规模并行时域有限差分法的网格剖分算法研究；基于大规模并行FDTD的复杂电磁耦合问题研究；基于空域.时域抽样的基尔霍夫近-近(远)场转换算法及其并行化研究。
　　 JASMIN框架是由北京应用物理与计算数学研究所研制的并行框架,全称为并行自适应网格应用支撑软件框架(JparallelAdaptiveStructuredMeshapplicationsInfrastructure)。本文首先在JASMIN框架上完成了高效、高置信度的大规模并行FDTD基本计算程序,包括FDTD迭代、CPML吸收边界、点源激励以及自动负载平衡和重启动等等,并以自由空间电偶极子辐射问题为例完成了程序计算精度和有效性的验证。
　　 采用FDTD仿真电磁问题,首先需要对目标进行网格化离散建模。在大规模并行FDTD计算中,高效的网格生成算法更为必要。为了适应大规模并行FDTD电磁建模网格剖分需求,本文讨论了一种基于三角面元CAD(Computer-aideddesign)数据文件的FDTD网格自动剖分方法,并在JASMIN下完成了该算法的并行化。数值算例表明这是一种准确、快速的自动网格生成技术,有效的解决了大规模并行FDTD的网格化离散建模问题。此外,为了能完善网格剖分算法,也为了使得仿真模块更具实用性,本文还介绍基于QT与OpenGL的可视化界面开发技术,在此基础上实现了跨平台的FDTD前处理软件界面,该平台能够对STL格式CAD文件的显示和修改,同时能够编辑一些简单的实体图形并导出STL文件。
　　 以上述两条为基础研究了复杂机箱的电磁耦合问题,通过大量电磁耦合的算例计算,并将结果与商业软件对比,验证了并行FDTD在研究大规模复杂电磁耦合问题中的准确性和可行性。然后采用250个处理器核计算了已经应用于实际的金河田兼容机机箱的耦合效应,最后还分析了带集总参数元件微带电路板电路的机箱的耦合效应。
　　 对于大规模并行,若要通过近-近(远)变换求得多个点的场强时,计算量较大,可采用时域-空域抽样减小计算量。本文提出了一种改进的近-近(远)场变换,其以Kirchhoff积分近-近(远)变换为基本原理,采用抽样方法实现快速的近-近(远)场变换。改进近-近(远)场变换算法的并行化的是在JASMIN框架下实现的,本文详细介绍了其实现的过程,采用电偶极子辐射、球体散射以及单缝腔体辐射为算例,验证了方法的正确性和高效性,为大规模并行FDTD在研究电磁辐射与散射以及电磁泄漏问题时需要获得计算区域外的场值提供了算法支持。