多層介質(zhì)目標(biāo)及介質(zhì)覆蓋金屬目標(biāo)的電磁散射特性分析.pdf

1、薄殼介質(zhì)材料，特別是分層介質(zhì)材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，已在實(shí)際工程中越來越多地用作天線罩、隔熱罩和雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)。但是，介質(zhì)電磁散射的數(shù)值建模長(zhǎng)期面臨未知量數(shù)目巨大、迭代收斂性能較差等技術(shù)挑戰(zhàn)。面對(duì)上述問題，本文從薄介質(zhì)片建模方法以及基函數(shù)改進(jìn)兩個(gè)方面著手，在如何準(zhǔn)確、快速地求解多層薄介質(zhì)以及介質(zhì)覆蓋金屬目標(biāo)的電磁散射特性問題中開展了一系列研究工作。
　　首先，本文介紹了積分方程方法的理論基礎(chǔ)和數(shù)值實(shí)現(xiàn)，包括表面積分方程、體積

2、分方程和體面積分方程方法。除此之外，基于體積分方程方法的薄介質(zhì)片(TDS)等效方法也得以詳細(xì)介紹。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地闡述了矩量法的數(shù)值實(shí)現(xiàn)和關(guān)鍵技術(shù)，并研究了利用數(shù)值方法求解電磁散射問題的具體步驟。
　　其次，研究了適用于單層薄介質(zhì)涂敷金屬目標(biāo)的修正單層TDS等效方法?？紤]到格林函數(shù)取值精度對(duì)積分結(jié)果的影響，在有效控制計(jì)算量的前提下，使離散網(wǎng)格中格林函數(shù)的取值更逼近真實(shí)值，從而提高數(shù)值積分精度；同時(shí)，在保證精度不變的前提下還擴(kuò)大了

3、單層介質(zhì)厚度的適用范圍。
　　基于上述改進(jìn)的單層TDS模型，提出了適用于多層薄介質(zhì)以及多層薄介質(zhì)覆蓋金屬目標(biāo)的修正多層TDS等效方法，并推導(dǎo)出相應(yīng)的遞推公式。在本文提出的修正多層TDS等效模型中，各介質(zhì)薄層的體電流可根據(jù)不同的電流方向分解為切向體電流和法向體電流分量；其中，體電流切向和法向分量的橫向分布在橫向電流面內(nèi)分別用CRWG基函數(shù)和脈沖基函數(shù)展開；法向體電流分量的法向分布則依據(jù)麥克斯韋方程推導(dǎo)出法向的遞推關(guān)系式。為了節(jié)約未知

4、量個(gè)數(shù)，先前的多層TDS方法在描述法向體電流的法向分布時(shí)僅使用了單向的遞推公式來減少法向未知量的個(gè)數(shù)。然而，對(duì)于厚度偏大的介質(zhì)層，單向遞推過程將導(dǎo)致較大的遞推誤差。本文提出的修正多層TDS等效方法改進(jìn)了法向未知量的遞推公式，使其由單向遞推變?yōu)殡p向(上下兩方向同時(shí))遞推，從而提高了處理同一厚度介質(zhì)層散射問題的求解精度。在給定數(shù)值解容差的前提下，該方法則增加了可模擬的介質(zhì)層厚度。
　　為實(shí)現(xiàn)電大尺寸目標(biāo)的高效求解，本文分別將修正單層T

5、DS方法與修正相位提取基函數(shù)、修正多層TDS方法與相位提取基函數(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電大尺寸薄介質(zhì)涂敷金屬目標(biāo)和多層薄介質(zhì)目標(biāo)的電磁散射模型。當(dāng)介質(zhì)涂敷金屬目標(biāo)中介質(zhì)涂敷層非常薄時(shí)，受PEC邊界條件的規(guī)范，介質(zhì)體內(nèi)體電流的切向分量可視為零，那么體電流法向分量則與金屬表面感應(yīng)電流相關(guān)。采用修正相位提取基函數(shù)來描述金屬表面感應(yīng)電流，可對(duì)單層薄介質(zhì)涂敷的凹、凸金屬目標(biāo)予以快速準(zhǔn)確分析。另一方面，多層薄介質(zhì)殼具有多層薄介質(zhì)波導(dǎo)的導(dǎo)波特性，因此介

6、質(zhì)體內(nèi)體電流沿介質(zhì)體切向方向的分布可認(rèn)為主要是行波分布。僅采用行波類型的相位提取基函數(shù)來描述介質(zhì)體內(nèi)電流分布，即可對(duì)多層薄介質(zhì)目標(biāo)快速準(zhǔn)確分析。
　　針對(duì)夾層介質(zhì)罩的電磁特性建模，本文提出了分層體積分方法。對(duì)于夾層介質(zhì)罩而言，它不再是單一的薄層，而是薄層與厚層并存，例如 A-夾層介質(zhì)罩就是內(nèi)外表面高強(qiáng)度薄層之間有透波率較高的厚夾層的結(jié)構(gòu)。針對(duì)夾層介質(zhì)罩的具體結(jié)構(gòu)，提出了等效分層模型；根據(jù)天線罩厚度的不同提出相應(yīng)的未知量選擇準(zhǔn)則，使

7、未知量個(gè)數(shù)最大程度地減少。
　　最后，作為本文方法的另一典型應(yīng)用，文中考察了臨近空間高超聲速飛行器及其等離子體鞘套、飛行器天線的一體化理論建模與數(shù)值分析。當(dāng)入射電磁波頻率提升到接近微波頻段時(shí)，臨近空間高超聲速飛行器即是典型的電大尺寸目標(biāo)。臨近空間飛行器在做高速飛行時(shí)，飛行器周圍的氣體在高溫摩擦下產(chǎn)生大量的等離子體分布在飛行器表面。與飛行器的電尺寸相比，等離子體鞘套是很薄的。本文將等離子體鞘套等效為多層介質(zhì)材料，因此，覆蓋等離子體鞘