基于并行FDTD的大型天线及阵列模拟与优化研究

摘要

一直以来，在远距离通信、雷达侦测、深空探测以及电子目标打击等研究领域，往往都需要采用具有高增益、定向性能好的天线。为了满足上述要求，工程上一般采用大口径的反射面天线或者大型阵列天线，这必将导致天线的电尺寸急剧增大。在大型反射面天线及阵列天线的模拟与设计过程中，传统的高频方法、全波方法、阵列综合方法往往无法兼顾计算精度与计算效率。为此，本文以并行FDTD技术为基础，针对具有电大尺寸结构的波束波导反射面天线及超宽带阵列天线，研究其快速、准确的模拟方法，以期缩短天线及阵列的设计周期，降低制造成本。本文主要研究工作如下:
　　第一，为了解决电大尺寸天线及阵列在全波模拟过程中耗时长、占用内存大的问题，首先研究了并行非均匀网格FDTD方法及其关键技术，可以有效缩短FDTD方法的模拟时间。然后，针对实际工程应用中常出现的对称结构天线辐射问题，提出在并行非均匀网格FDTD中采用对称边界条件，使网格量和计算时间缩减为原来的一半。采用该并行算法模拟了圆弧式变形TEM喇叭天线及微带反射阵天线，通过对比验证了算法程序的准确性。最后，在曙光12核服务器上测试了非均匀网格FDTD程序的并行效率，结果显示，程序并行效率超过了80％。
　　第二，实现了旋转对称FDTD与三维非均匀网格FDTD相结合的混合算法及JBORAO软件编制。首先以并行旋转对称FDTD及混合优化算法为基础，编制了旋转对称型天线优化软件JBORAO，实现了圆锥喇叭天线的优化设计及旋转抛物面天线快速模拟。然后针对波束波导反射面天线，由于其具有电大尺寸结构，全波模拟几乎难以实现。为此，利用波束波导反射面天线的局部旋转对称特性，提出了旋转对称FDTD与三维非均匀网格FDTD相结合的混合算法。在保证具有全波模拟精度的同时，计算时间大幅度缩减。此外，采用并行技术，进一步加快计算速度。通过对波束波导反射面天线缩比模型的模拟，并与电磁软件的结果进行对比，验证了混合算法的准确性。最后，提出了混合算法与优化算法相结合的优化设计方案，对X波段的波束波导反射面天线进行了优化，优化后的天线增益明显提升，副瓣电平也有所降低。
　　第三，研究了超宽带脉冲天线阵列时域远场特性的快速计算方法。以有源单元方向图为基础，提出了通过小型阵列时域远场计算结果外推大型阵列峰值功率方向图及能量方向图的快速计算方法。首先以圆弧式变形TEM喇叭天线为例，采用5元直线阵的远场外推11元直线阵的远场。通过与方向图乘积法及全波方法的对比，证明本文方法既能考虑互耦影响，又能保证计算效率。此外，采用田口算法对11元线阵进行优化，降低了阵列的副瓣电平。然后研究了平面阵的外推方法，通过25元平面阵(5×5)的远场外推得到了121元平面阵(11×11)的远场，验证了方法的准确性，并计算了450元平面阵(15×30)的峰值功率方向图及能量方向图。最后，提出了将阵列外推方法与优化算法相结合的研究方案，分析了馈电不同步以及单元失效等不稳定因素对阵列辐射性能带来的最坏影响。
　　第四，研究了超宽带天线辐射场对近地面目标的电磁作用。首先，提出了非均匀网格离散的半空间FDTD方法。通过对一维修正麦克斯韦方程进行非均匀网格离散，在包含层状地面的半空间电磁问题中引入平面波源，减少了半空间FDTD的计算网格量与计算时间。然后，采用该方法模拟了高斯脉冲平面波作用下的地表目标及地下目标电磁散射问题，验证了方法的准确性。此外，基于天线辐射远场的平面波近似，模拟并分析了圆弧式变形TEM喇叭天线辐射场作用下的地雷电磁散射及地面上示波器机箱电磁耦合问题。与均匀网格半空间FDTD相比，文中方法的计算速度明显提升。最后，模拟了机载超宽带天线阵列辐射场作用下的建筑物电磁耦合问题。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要工作和研究内容

第2章 并行FDTD及非均匀网格研究

2．1 FDTD基本原理

2．1．1 FDTD离散方程及非均匀网格技术

2．1．2 稳定性条件与数值色散

2．1．3 边界条件

2．1．4 并行非均匀网格FDTD的实现过程

2．2 并行非均匀网格FDTD在电磁散射及耦合问题中的应用研究

2．2．1 金属球体电磁散射特性模拟

2．2．2 金属腔体电磁耦合特性模拟

2．3 并行非均匀网格FDTD在天线辐射问题中的应用研究

2．3．1 圆弧式变形TEM喇叭天线辐射特性模拟

2．3．2 W波段双层微带反射阵天线辐射特性模拟

2．3．3 双波束微带反射阵天线辐射特性模拟

2．4 本章小结

第3章 BOR-FDTD／3D-FDTD混合方法及其应用研究

3．1 BOR-FDTD基本理论

3．2 旋转对称型天线优化软件编制及其应用研究

3．2．1 软件简介

3．2．2 软件应用实例

3．3 基于BOR-FDTD／3D-FDTD的混合算法

3．3．1 混合算法原理

3．3．2 混合算法验证

3．4 X波段波束波导反射面天线的模拟与优化

3．5 本章小结

第4章 基于有源单元方向图的超宽带阵列模拟与优化

4．1 基于有源单元方向图的阵列计算方法

4．2 阵列外推方法在直线阵中的应用

4．2．1 直线阵的快速计算与验证

4．2．2 直线阵的快速优化

4．3 阵列外推方法在平面阵中的应用

4．3．1 平面阵列外推方法

4．3．2 15X30平面阵列快速计算

4．4 不稳定因素对阵列的影响分析

4．4．1 单元馈电不同步分析

4．4．2 单元失效分析

4．5 本章小结

第5章 超宽带天线对近地目标的电磁作用研究

5．1 非均匀网格剖分的层状半空间FDTD技术

5．1．1 一维修正FDTD的非均匀网格离散

5．1．2 二维问题总场／散射场边界设置

5．1．3 三维问题平面波引入方法

5．2 平面波作用下的半空间电磁问题分析

5．2．1 地面反射及透射模拟

5．2．2 地面目标散射模拟

5．2．3 地下目标散射模拟

5．3 超宽带天线辐射场作用下的半空间电磁问题分析

5．3．1 地雷散射特性分析

5．3．2 示波器机箱电磁耦合分析

5．4 机载超宽带天线辐射场作用下的建筑物空间电磁特性分析

5．5 本章小结

6．1 本文工作总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及承担的科研项目