基于高斯波束高頻方法的分析和研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算電磁學(xué)需要分析的問題常常是電大尺寸的。與全波方法相比，物理光學(xué)法(PO)具有計算機資源占用少、仿真速度快等優(yōu)點，常常被用于電大尺寸問題的分析，然而物理光學(xué)電流的數(shù)值積分仍十分耗時。引入高斯波束(GB)后，物理光學(xué)電流的積分可以得到大大簡化。本文以高斯波束為線索，分別討論頻域高斯波束(FDGB)在二次曲面和非均勻有理B樣條曲面(NURBS)上頻域物理光學(xué)(FDPO)電流積分計算、時域高斯波束(TDGB)在脈沖輻射天

2、線(IRA)和三角形剖分結(jié)構(gòu)上時域物理光學(xué)(TDPO)電流積分計算以及頻域高斯波束在無限大周期結(jié)構(gòu)輻射和散射問題分析中的應(yīng)用。本文主要研究以下內(nèi)容：
　　首先，介紹了頻域高斯波束的基本參數(shù)，分析頻域高斯波束照射下二次曲面上頻域物理光學(xué)電流積分計算的基本理論，該積分可以得到與電尺寸無關(guān)的解析結(jié)果，大大提高了頻域物理光學(xué)電流積分的計算效率。針對反射面天線應(yīng)用，在局部坐標系中給出了反射面天線的二次曲面近似。采用遠區(qū)場匹配法將饋源輻射場展

3、開為頻域高斯波束，其傳播軸線上的磁場矢量通過二次插值求出。將每個頻域高斯波束照射下二次曲面的物理光學(xué)場疊加，可得饋源照射下二次曲面的總場。仿真了電大尺寸正饋、偏饋以及相控陣饋電有限掃描反射面天線的輻射性能。頻域繞射場的計算采用頻域等效邊緣電磁流法(FDEEC)。
　　接著，討論頻域高斯波束在NURBS曲面上頻域物理光學(xué)電流積分計算中的應(yīng)用。介紹了NURBS曲面的基本理論及其在建模中的優(yōu)點。采用分層積分法(DQM)計算頻域高斯波束照

4、射下NURBS曲面上頻域物理光學(xué)電流的積分，該方法具有穩(wěn)定、準確、與電尺寸無關(guān)等優(yōu)點，大大提高了頻域物理光學(xué)電流積分的計算效率。計算了頻域高斯波束照射下NURBS曲面表示的電大尺寸理想導(dǎo)電平面、圓柱片、圓球片以及高階NURBS曲面的散射場，并討論了頻域高斯波束束腰寬度對散射場的影響。
　　其次，介紹時域高斯波束的基本參數(shù)，給出時域高斯波束照射下脈沖輻射天線階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)的計算方法。通過坐標變換將時域高斯波束照射下脈沖輻射天線階

5、躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)時域物理光學(xué)電流的積分從直角坐標系轉(zhuǎn)換到極坐標系中，得到與尺寸無關(guān)的準解析結(jié)果，該方法只需消耗極少的計算機資源就可以計算CST需要巨大內(nèi)存才能仿真的模型。采用自適應(yīng)時間插值算法提高脈沖響應(yīng)的計算精度。得到脈沖響應(yīng)后，與激勵信號相卷積可得單個時域高斯波束照射下脈沖輻射天線的瞬態(tài)響應(yīng)。通過在頻域匹配遠區(qū)場，將饋源時域輻射場展開為時域高斯波束，將每個時域高斯波束照射下脈沖輻射天線的瞬態(tài)響應(yīng)疊加，可得饋源照射下脈沖輻射天線總的瞬

6、態(tài)響應(yīng)。時域繞射場的計算采用時域等效邊緣電磁流法(TDEEC)。
　　再次，介紹時域高斯波束在三角形剖分結(jié)構(gòu)上時域物理光學(xué)電流積分計算中的應(yīng)用。三角形剖分具有結(jié)構(gòu)簡單、能夠描述復(fù)雜模型等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于計算電磁學(xué)中。時域高斯波束照射下，剖分三角形上時域物理光學(xué)電流的二維積分可以簡化為一維積分，大大提高了時域物理光學(xué)電流積分的計算效率。提出了基于高斯波束傳播特性的z-buffer算法用于判斷物理光學(xué)的亮區(qū)和暗區(qū)。采用上述方法計算了時

7、域高斯波束照射下電大尺寸理想導(dǎo)電平面、菲涅爾區(qū)反射面天線、導(dǎo)彈模型以及飛機模型的瞬態(tài)響應(yīng)。
　　最后，介紹頻域高斯波束在無限大周期結(jié)構(gòu)輻射和散射問題分析中的應(yīng)用。將一維和二維無限大周期結(jié)構(gòu)的聚焦點從實空間解析延拓到復(fù)空間，實現(xiàn)一維和二維無限大周期結(jié)構(gòu)的高斯激勵。采用泊松求和公式將一維和二維無限大周期結(jié)構(gòu)單元輻射場的求和轉(zhuǎn)化為弗洛蓋(Floquet)模式的求和，對弗洛蓋模式的求和具有快速收斂的優(yōu)點，且弗洛蓋模式具有和頻域高斯波束類似