高性能计算在目标电磁散射特性分析中的应用

基于高性能计算的电磁数值模拟在目标电磁散射特性分析中发挥着越来越重要的作用.由于任一种数值方法都有一定的适用范围，不能高效处理所有问题，因此，有必要发展和集成多种数值方法，形成能够为不同类型问题的雷达散射截面（radar cross section，RCS）计算提供高效解决途径的软件系统.文中在并行自适应结构/非结构网格应用支撑软件框架之上，充分考虑数值方法的可扩展性以及物理个性的可分离性，通过基于机理、数据的混合可计算建模和接口设计，以及算法的模块化开发，发展了多种用于RCS计算的数值方法，并将其集成到高性能电磁数值模拟软件系统JEMS中.数值算例表明了JEMS具有高效分析多种目标电磁散射特性的能力，并在大规模并行计算方面具有显著优势.     

并行预处理有限元方法及其在系统级封装结构电磁模拟中的应用

针对系统级封装结构的电磁兼容、信号完整性分析等应用,由于结构的复杂、多尺度和多材料的特性,其大规模电磁问题模拟一直难以实现.本文中,主要展示了基于并行支撑框架JAUMIN研发的高性能电磁计算程序JEMS-CDS及其在系统级封装结构电磁仿真中采用的高效算法.针对系统级封装结构电磁仿真,我们构建了两种预处理技术:区域分解方法与正定矩阵预处理方法.数值模拟结果显示JEMS-CDS程序在百CPU核并行规模上能够实现了近亿未知量的快速迭代求解.针对某天线阵列和射频系统级封装结构,利用JEMS-CDS程序在国产并行机上完成了电磁场并行数值模拟,获得了电磁场的高分辨率结果,支持了电磁兼容性分析、信号完整性分析等应用.     

求解多尺度目标电磁散射的积分方程快速算法

多层快速卡特森展开算法(Multilevel Accelerated Cartesian Expansion Algorithm,MLACEA)可用于加速电小尺寸结构积分方程矩量法,且矩阵与矢量乘积运算计算复杂度为O(N)量级;MLACEA和多层快速多级子算法(Multilevel Fast MultipoleAlgorithm,MLFMA)均基于八叉树分组结构,便于实现它们的混合快速算法MLA-CEA-MLFMA.该混合算法可大幅度降低模拟合精细结构的电大尺寸目标宽带电磁散射问题的计算复杂度.还详细阐述了求解电场积分方程的MLACEA算法及其与MLFMA算法的混合快速算法MLACEA-MLFMA算法;并通过计算实例对比分析了MLFMA算法与MLACEA-MLFMA混合算法的计算效率.     

时域积分方程MOT算法的推迟位时间卷积数值积分新方法

通过变量代换平滑三角形上推迟位（标量位函数和矢量位函数）并消除推迟矢量位旋度的奇异性,使得采用数值积分法就能够精确快速地计算任意正则时间基函数与推迟位函数及推迟矢量位旋度之间的时间卷积运算,可用于基于任意类型时间基函数的时域电场、时域磁场及其混合场积分方程时间步进（MOT ）算法。与时间卷积运算的解析法对比分析表明,该时间卷积数值积分方法能够精确快速地计算基于任意类型时间基函数和不同时间步长条件下时域积分方程MOT算法的阻抗矩阵元素;而具体的计算实例也表明,阻抗矩阵的精确计算显著地提升了时域积分方程MOT算法的后时稳定性和求解精度。     

笛卡尔展开算法高效求解增广电场积分方程

将多层快速笛卡尔展开算法(Multilevel Accelerated Cartesian Expansion Algorithm,MLACEA)用于求解理想导体目标的增广电场积分方程(Augmented Electric Field Integral Equation,AEFIE),详细推导了基于AEFIE-矩量法(Method of Moments,MoM)的MLACEA算法的具体实现过程.计算实例表明,在求解低频电磁散射问题及电路问题时基于AEFIE-MoM矩量法的MLACEA算法既具有非常高的计算精度、又可大幅度降低MoM的计算复杂度,使得其计算量和计算机内存需求可由原来MoM的O(N2)量级降低至MLACEA算法的O(N)量级.