目标散射精确分析及微带天线RCS控制技术研究

摘要

本文针对天线RCS计算方法和机载天线RCS计算两个研究方向，以目标的电磁散射计算和天线隐身技术为研究对象，分别针对电大尺寸目标散射的精确快速计算和微带天线RCS预估和减缩方法进行了研究。取得的成果归纳如下：
　　 1.阵列天线RCS计算方法研究。在基本电磁散射计算的基础上，应用了基于矩量法的快速算法一综合函数矩量法(SBF)来计算阵列天线的散射问题。综合函数矩量法解决了传统矩量法由于计算机硬件系统的限制，对于精确求解阵列天线散射存在的内存和速度两方面问题。该方法首先对阵列天线进行模型分块，在模型的每一分块上进行三角面片的网格剖分，并求出每一块上的综合基函数一RWG基函数的线性叠加。综合基函数的获得使计算未知数大幅度减少，从而减少了内存占用和提高运算速度。
　　 2.自适应积分(AIM)精确分析电大尺寸目标的散射。详细推导了基于矩量法的另一种快速算法一自适应积分(AIM)，并介绍了整个算法流程的关键问题。利用该方法加速求解了电大尺寸目标的散射分析速度并降低储存量，从而提高了现有计算机硬件条件对电大尺寸问题的处理规模和能力。在矩阵与矢量相乘时，采用双共轭梯度法(BICG)改进了求解矩阵方程的方式，进一步提高了程序的运算速度。
　　 3.电大尺寸目标散射的自适应积分并行计算。为了进一步提高求解问题的规模，可对自适应积分算法采用并行计算技术。并行计算的关键点是针对自适应积分的具体并行化过程，包括对阻抗矩阵填充和双共轭梯度迭代求解部分进行并行处理，以达到各进程的高并行效率和负载均衡，使求解规模扩大的同时也提高了计算速度。论文分析了电大尺寸的散射算例，计算结果表明了自适应积分并行计算的优越性。
　　 4.微带印刷振子天线的散射分析。对于天线隐身技术研究的重点内容，首先引入一种包含馈电结构的微带印刷振子天线散射分析方法。主要目的是用来分离带有馈电结构的微带印刷振子天线的结构模式项散射和天线模式项散射。利用在参考面处设置开路和短路，可以计算在任意负载情况下的结构模式项散射和天线模式项散射。最终分离了任意负载下微带印刷振子天线的散射，明确了散射的根本来源，为微带印刷振子天线的RCS减缩提供理论基础。
　　 5.微带印刷振子天线及其阵列RCS减缩研究。研究重点在于微带印刷振子天线及其阵列的宽带化和低散射特性。首先分析了基本天线单元的辐射和散射特性，针对基本天线单元的带宽缺陷提出了用PBG结构来改善其带宽性能，实现了单元的宽带化。其次，根据基本单元天线的散射特性，提出了在地板上采用平面PBG结构来对天线单元进行RCS减缩。最后设计的4×2宽带印刷振子阵列天线既拥有良好的辐射性能，又具有低RCS特性，对微带印刷振子天线的RCS减缩研究具有重要的意义。
　　 6.微带贴片天线RCS减缩方法研究。主要是针对微带贴片天线及其阵列的RCS减缩研究。首先引入微带贴片天线开槽方式对单元进行RCS减缩，并详细讨论其散射减缩的基本原理。其次引入贴片阵列天线散射减缩的新方法——贴片天线单元渐变开槽方式。通过对不同的单元开不同尺寸的槽，在等幅度馈电的情况下实现远区辐射场的低副瓣特性。该方法不仅实现了远区辐射场的低副瓣，而且又兼顾了结构模式项散射场的RCS减缩，从而有效的实现了阵列天线的低RCS特性。最后在理论推导的基础上，设计出1×9贴片阵列天线，实验证明了该方法的正确性和实用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

§1.1研究工作的背景和意义

§1.2国内外研究现状

§1.2.1电大尺寸RCS计算方法研究进展

§1.2.2天线RCS减缩方法分类

§1.2.3微带天线RCS减缩进展

§1.3本文基本研究思路

§1.4本文主要内容安排

§1.4.1本文的主要研究内容以及写作安排

§1.4.2作者的主要工作

第二章矩量法分析自由空间导体散射

§2.1引言

§2.2自由空间导体散射分析

§2.2.1导体表面的电场积分方程(EFIE)

§2.2.2矩量法分析

§2.2.3激励向量

§2.3电磁计算目标的建模

§2.3.1电磁计算目标的建模要求和特点

§2.3.2模型三角面片剖分过程

§2.4数值计算结果

§2.4.1球的散射问题

§2.4.2组合体的散射问题

§2.5小结

第三章综合函数矩量法分析阵列天线的散射

§3.1引言

§3.2综合函数矩量法的基本理论

§3.3阵列天线单元不相连接时综合函数的生成

§3.3.1综合函数生成的基本理论

§3.3.2阵列天线单元不相连接时计算实例

§3.4天线地板相连接时综合函数的生成

§3.4.1公共边上的综合函数

§3.4.2相连面块上综合函数的生成

§3.4.3面块相连接的阵列天线算例

§3.5小结

第四章自适应积分方法分析电大尺寸导体散射

§4.1引言

§4.2辅助基函数

§4.2.1辅助基函数的建立

§4.2.2求解电流系数

§4.2.3 Vandermonde快速求逆

§4.3阻抗矩阵的建立

§4.4 FFT加速Toeplitz矩阵与矢量相乘

§4.4.1循环矩阵与矢量相乘

§4.4.2 Toeplitz矩阵与矢量相乘

§4.4.3多层Toeplitz矩阵与矢量相乘

§4.5自适应积分算法具体流程

§4.6计算量与存储量分析

§4.7数值分析结果

§4.8小结

第五章电大尺寸导体散射的自适应积分并行计算

§5.1引言

§5.2并行算法的基本理论

§5.2.1并行算法的分类

§5.2.2消息传递的应用

§5.2.3并行程序设计模式

§5.2.4并行计算软硬件的选择

§5.2.5程序设计中主要用到的MPI指令

§5.3自适应积分中阻抗矩阵填充并行算法实现

§5.4双共轭梯度法求解矩阵方程

§5.4.1双共轭梯度法基本原理

§5.4.2自适应积分中双共轭梯度的并行计算

§5.5数值计算结果

§5.6小结

第六章微带印刷振子天线的散射分析

§6.1引言

§6.2基本理论

§6.3微带印刷振子的散射分离

§6.3小结

第七章微带印刷振子天线RCS减缩研究

§7.1引言

§7.2微带印刷振子天线辐射和散射特性研究

§7.2.1基本微带印刷振子天线的辐射特性

§7.2.2基本微带印刷振子天线的散射特性

§7.3宽带微带印刷振子天线的设计

§7.3.1印刷振子的改进

§7.3.2实验结果

§7.4微带印刷振子天线地板的改进方法

§7.4.1基本原理

§7.4.2计算结果

§7.5宽带低散射印刷振子天线阵的设计

§7.5.1微带印刷振子阵列天线的设计

§7.5.2微带印刷振子阵列天线RCS减缩基本理论

§7.5.3微带印刷振子低散射阵列天线

§7.6小结

第八章微带贴片天线RCS减缩方法研究

§8.1引言

§8.2微带天线基本理论

§8.2.1微带天线传输线模型

§8.2.2微带天线空腔模理论

§8.2.3微带天线散射基本理论

§8.3贴片天线单元的RCS减缩

§8.3.1贴片天线单元的RCS减缩原理

§8.3.2低RCS微带贴片天线单元

§8.4贴片天线阵列的RCS减缩

§8.4.1阵列天线散射减缩的基本理论

§8.4.2低RCS微带贴片阵列天线的设计

§8.5小结

第九章全文总结

致谢

攻读博士学位期间的研究成果

科研成果

参考文献