周期表面的矢量散射理論方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、周期表面的電磁散射廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，例如衍射光柵、頻率選擇表面、陣列天線、電磁帶隙結(jié)構(gòu)、隱形技術(shù)、吸波材料、左手材料等，從而成為專家學(xué)者們關(guān)注的熱點。此外，周期表面可以看成一種特殊的隨機粗糙面，所以研究周期表面可以作為隨機粗糙面的基礎(chǔ)。本文首先研究了周期表面的標(biāo)量散射和矢量散射問題，然后將本文提出的周期方法推廣到隨機粗糙面的電磁散射以及海浪方向譜的遙感。主要研究內(nèi)容如下：
　　基于矢量 Maxwell方程組、瑞利假設(shè)和矢量

2、運算的矩陣表示，本文建立了一種新的計算周期表面電磁散射的矢量理論方法。在求解過程中，運用了快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)和逆變換(Inverse Fast Fourier Fransform, IFFT)，完全避免了數(shù)值積分，大大提高了計算效率，降低了分析周期系統(tǒng)的電磁散射特性對計算機硬件的要求。研究表明：本文提出的矢量方法通用性強，計算效率高，適合推廣到其它周期結(jié)構(gòu)以及隨機粗糙(海)面的電磁散

3、射問題。
　　研究了周期結(jié)構(gòu)中的Floquet定理與空間諧波，說明了瑞利展開(Rayleigh Expansion, RE)表達(dá)式。討論了使用矩量法(Moment of Method, MOM)，T-Matrix法，積分方法(Integral Method, IM)等參照方法求解周期表面的電磁散射問題。研究分析表明：周期表面的電磁散射問題是一個復(fù)雜的矢量電磁場邊值問題，一般情況下必須采用矢量散射理論方法進(jìn)行分析研究，只有特殊情況下

4、才可以采用簡化的標(biāo)量散射理論。
　　依據(jù)坡印亭定理(Poynting theorem)和矢量恒等式，推導(dǎo)了電磁波在理想導(dǎo)體和介質(zhì)周期表面電磁散射問題中散射和透射系數(shù)的求解公式。以能量守恒作為驗證計算方法正確性的一種手段，本文中的計算結(jié)果都能滿足能量守恒條件。
　　系統(tǒng)研究了理想導(dǎo)體和介質(zhì)周期表面的電磁散射特性。分析了TE波和TM波入射情況的標(biāo)量散射和矢量散射問題；探討了入射波長λ、起伏高度h/λ、周期長度p/λ、入射角度(θ

5、i,φi)、介電常數(shù)、極化方式等參數(shù)對周期表面電磁散射特性的影響。分析了周期表面的邊界條件以及模匹配條件，推導(dǎo)出求解周期表面電磁散射的理論公式。本文方法的數(shù)值仿真結(jié)果與 T-Matrix方法十分吻合，而前者更加穩(wěn)定高效，消耗的計算資源更少。研究結(jié)果表明：交叉極化特性依賴于入射方位角，具有各向異性，充分體現(xiàn)了電磁波的矢量散射特性。
　　研究隨機粗糙(海)面的電磁散射特性問題：一種常用的處理方案是將粗糙面按有限尺度截斷后用積分方程和

6、MOM進(jìn)行求解，利用錐形波入射代替平面波入射可以減少粗糙面截斷位置產(chǎn)生的邊緣效應(yīng)，而錐形波的寬度參數(shù) g和隨機粗糙面的截斷尺度 L直接影響了數(shù)值仿真需要的計算量和儲存量以及數(shù)值結(jié)果的有效性。另一種處理方案是將有限尺度的隨機粗糙面當(dāng)成周期表面的一個周期單元，采用本文提出的周期方法來計算，周期延拓完全消除了表面電流的不連續(xù)性?；谝陨蟽煞N方案，探討了均方根高度h、相關(guān)長度lc、入射波極化特性、入射角度、入射波頻率、風(fēng)速等參數(shù)對散射系數(shù)的影響