復(fù)雜電磁環(huán)境中快速多極子方法的研究與應(yīng)用.pdf

1、機(jī)載、艦載等復(fù)雜電大尺寸運(yùn)載平臺(tái)中，天線的受擾輻射特性以及多天線系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)分析一直是工程界備受關(guān)注的難點(diǎn)課題之一。此外，在高性能天線設(shè)計(jì)、雷達(dá)目標(biāo)隱身和反隱身技術(shù)研究、雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別、現(xiàn)代電子系統(tǒng)電磁兼容性分析等領(lǐng)域，也經(jīng)常需要對一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維電大尺寸目標(biāo)作電磁建模。為滿足上述工程需求，本文主要研究復(fù)雜電大尺寸金屬結(jié)構(gòu)的散射和輻射問題，以及電大尺寸運(yùn)載平臺(tái)中天線之間的電磁兼容問題；研究目標(biāo)是對復(fù)雜電大

2、尺寸結(jié)構(gòu)作高效電磁建模和快速計(jì)算，并最終解決一些實(shí)際工程中的難點(diǎn)問題。為此，本文以電磁場表面積分方程(SIE)理論作為理論基礎(chǔ)，在經(jīng)典矩量法(MoM)的基礎(chǔ)上使用多層快速多極子方法(MLFMA)來加速求解過程和降低內(nèi)存需求。論文圍繞兩類問題展開討論，第一類是針對天線結(jié)構(gòu)的電磁輻射和耦合問題；第二類是電大尺寸目標(biāo)的雷達(dá)電磁散射特性以及寬帶時(shí)域(TD)響應(yīng)問題。 對于電磁輻射和耦合問題，以線面連接結(jié)構(gòu)作為主要研究對象，介紹了線面連接

3、模型的三種基函數(shù)，詳細(xì)討論了線面連接模型的矩量法實(shí)現(xiàn)過程。繼而采用多層快速多極子方法進(jìn)行加速，提高了電大尺寸輻射問題的求解能力。為了提高求解效率，對于單頻點(diǎn)問題，采用近場阻抗矩陣方程的解作為迭代初值；對于多頻點(diǎn)問題，則采用繼承迭代法。同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于基函數(shù)“物理鄰居”的預(yù)條件方法，該方法考慮對近場貢獻(xiàn)最重要的部分，構(gòu)造簡單，并且能夠有效加快共軛梯度(CG)類型迭代法的收斂速度。 對于電磁散射問題，在分析散射體頻域(FD)散射特性

4、的基礎(chǔ)上，定義了頻域散射矩陣。該矩陣依賴于散射體的幾何結(jié)構(gòu)和材料特性、入射波頻率、入射方向以及散射方向等。為了得到超寬帶(UWB)時(shí)域響應(yīng)，我們首先采用基于頻域積分方程的方法求解頻域散射結(jié)果，然后利用快速傅立葉逆變換(IFFT)將頻域散射結(jié)果轉(zhuǎn)換到時(shí)域。為了描述超寬帶時(shí)域響應(yīng)，我們引入了歸一化時(shí)域響應(yīng)矩陣。該矩陣與散射矩陣類似，依賴于平面波入射方向和散射方向等。 為了考慮地面、海面等環(huán)境因素的影響，進(jìn)一步研究了半空間環(huán)境的多層快

5、速多極子方法。對于半空間近場作用，采用嚴(yán)格的半空間并矢格林函數(shù)進(jìn)行處理，這類似于半空間矩量法；對于遠(yuǎn)場作用的直射場(即未經(jīng)過半空間分界面反射的直接輻射場)，采用對自由空間情況修正后的多層快速多極子方法進(jìn)行處理；對于遠(yuǎn)場作用的反射場，采用實(shí)鏡像方法，該方法物理概念清晰，具有良好的收斂性和穩(wěn)定性。與離散復(fù)鏡像方法(DCIT)引入多個(gè)復(fù)鏡像相比，實(shí)鏡像方法僅引入一個(gè)實(shí)鏡像。因此，實(shí)鏡像方法大大降低了內(nèi)存需求和計(jì)算量。 在電磁輻射和散射