电磁辐射和散射问题的快速分析方法研究

摘要

雷达技术的发展运用代表了现今军事工业的尖端水平。在雷达系统设计中,对相关天线辐射特性及任意目标散射特性的预估分析是极为重要的。同时,就雷达系统自身发展而言,现代相控阵雷达系统对多频收发组件中的可调移相器设计也提出了越来越高的要求。本论文主要基于以上的研究热点,主体工作分为如下几个方面:
　　1.本文在解决电磁问题时以经典的基于电磁场积分方程的矩量法为核心算法。针对一些特殊问题,考虑从矩量法的基函数选择,线性方程组的求解过程出发,做出相应的变换。如对于理想导体等一般性问题,考虑采用基于面积分的RWG基函数处理;对于介质目标,可采用混合场积分方程的PMCHWT处理法或者直接采用体积分方程进行目标剖分;而对于传统矩量法不能解决的极低频问题,则通过构造环-树型基函数来解决。本文以详实的算例验证了上述求解方案的有效性。
　　2.就宽带电磁问题的分析提出了一系列快速方法,并作了深入地介绍。本文从数值逼近理论、公式推导和实施步骤等方面分别对阻抗矩阵插值法、渐近波形估计、最佳一致逼近以及自适应Stoer-Bulirsch频率采样法进行系统分析。快速方法在扫频扫角中的应用是余下章节的基础。
　　3.提出了离散小波变换与最佳一致逼近相结合的方法用于分析线面结构天线的宽带辐射特性。其中线面结构采用面面连接模型取代,而通过小波变换对阻抗矩阵稀疏化同时结合切比雪夫逼近能更有效地求解电大载体平台上的天线辐射问题。最后,为了提高逼近精度用梅利级数展开取代原有的有理展开式计算,实现最佳一致逼近。
　　4.提出了改进型积分方程快速傅里叶变换方法与物理光学法相结合的高低频混合算法用于电大导体平台上的宽带天线辐射特性分析。分析过程中首先提出基于子域快速傅里叶变换的改进型单层快速傅里叶变换算法对格林函数插值,通过引入空组概念,加速迭代求解中的矩阵与矢量相乘计算,减少矩阵求解存储量,避免了对插值不准确的近场进行修正。同时对于电流频率响应,根据Stoer-Bulirsch算法的循环准则利用阶数可变的有理函数作为替代模型实现频域插值的快速计算。相较于之前的高低频混合算法,新方法在频域分析时不仅减少了矩阵方程中未知量个数,同时大大降低了内存需求和计算时间。
　　5.在对均匀介质目标的电磁散射进行频空两域同时外推计算时,提出了一种基于积分方程并结合双切比雪夫级数展开的自适应Stoer-Bulirsch采样方法。该方法将所求结果响应用双切比雪夫级数展开,并选择双切比雪夫点作为采样的初始点。通过构建搜索模型和全新的自适应循环法则,二维Stoer-Bulirsch搜索将在频域维度和空域维度同时展开。相较于之前基于最佳一致逼近的二维快速分析方法,只需附加初始点信息。该方法在兼具原有二维外推方法优势同时,通过对Stoer-Bulirsch采样方法的拓展运用,在有效计算二维电磁散射特性时精度可调、高阶稳定、易于实现。
　　6.设计并加工了一款基于平行短截线和缺陷地结构的双频可调移相器。与传统的传输线结构和数字移相器不同,在该结构中仅需调节平行枝节与缺陷地结构的矩形环尺寸便能实现双频性能。在测试中,插入损耗、回波损耗以及相移精度等性能指标均得到提高。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景及意义

§1.2 国内外研究现状及分析

§1.3 研究内容安排

第二章 电磁问题中的积分方程和矩量法

§2.1 引言

§2.2 电场积分方程

§2.3 基于RWG基函数的矩量法

§2.4 基于体积分方程的矩量法

§2.5 极低频问题的矩量法

§2.6 特殊问题中的矩量法应用

§2.7本章小结

第三章 宽带电磁问题的快速分析方法

§3.1 引言

§3.2 内插外推方法的研究历程

§3.3 阻抗矩阵插值方法

§3.4 渐近波形估计技术

§3.5 最佳一致逼近方法

§3.6 自适应频率采样方法

§3.7 本章小结

第四章 电磁问题的高效算法

§4.1 引言

§4.2 IE-FFT算法及其应用

§4.3 IE-FFT与PO混合方法

§4.4 改进型IE-FFT与PO混合方法

§4.5 离散小波变换技术

§4.6 本章小结

第五章 宽角域宽频域电磁散射问题中的二维外推技术

§5.1 引言

§5.2 均匀介质目标的二维梅利外推技术

§5.3 介质目标的二维SB-AFS技术

§5.4 本章小结

第六章 新型六位数字移相器设计

§6.1 引言

§6.2 DGS结构双频移相器的设计加工

§6.3 新型六位数字移相器的测试结果分析

§6.4 本章小结

第七章 结束语

参考文献

致谢

作者在读期间的研究成果