高性能时域有限差分算法及新型圆极化微带天线设计

摘要

为了满足通信、雷达和导航应用的需求，现代大型舰船平台上通常安装着各种电子系统。这些电子系统的近场互耦会导致复杂的电磁环境效应，使得系统整体性能变差。另外，这些电子系统和舰船平台对外来电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）非常敏感，严重时会导致系统失效。解决这些电大尺寸、多尺度的平台级电磁兼容(Electromagnetic Compatibility, EMC)问题需要高效、精确的数值计算方法。时域有限差分算法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）已经被大量应用于解决这些问题，然而由于FDTD的时间步长受限于空间网格大小，传统的FDTD方法在求解这类问题时计算效率受到严重限制。
　　本研究主要内容包括：⑴介绍了传统FDTD和隐式FDTD算法中效率最高的Leapfrog ADI-FDTD的基本迭代方程和Yee网格剖分，并分析了算法的数值色散特性和稳定性条件。其次介绍了卷积完美匹配层（Convolutional Perfectly Matched Layer, CPML）和引入各种不同激励源的方法。最后介绍了FDTD中经典的细导线模型。⑵将FDTD中经典的细导线算法拓展到Leapfrog ADI-FDTD中，适用于仿真大型舰船平台上的单极子细线天线。基于Von Neumann方法和大量数值实验，半解析地证明了该算法的无条件稳定性。将该算法应用于仿真大型舰船平台上的电磁兼容问题，包括计算天线之间近场耦合效应（S参数）和天线远场辐射方向图，以及有外来平面波辐照下天线端口感应的电压和舰船平台表面电流密度分布。⑶设计了一种双频双圆极化偏心圆环微带天线，对天线的工作机理进行了深入探究，并研究了不同结构参数对天线性能的影响。提出了一个集总元件等效电路以深入理解天线的工作机理，并给出一组经验公式和设计指导以简化设计流程。最后制作了天线实物并进行实验测量，结果与仿真吻合较好。

目录

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致谢

缩略语

第1章 绪论

1.1论文研究背景与意义

1.2国内外研究进展

1.3本文主要研究内容

第2章 时域有限差分算法（FDTD）简介

2.1显式FDTD方法

2.2 Leapfrog ADI-FDTD方法及其数值特性

2.3 FDTD中的细线算法

2.4本章小结

第3章 Leapfrog ADI-FDTD细线算法及其在复杂平台上电磁兼容问题中的应用

3.1复杂三维物体FDTD网格生成技术

3.2大型平台电磁兼容问题中的边界设置

3.3 Leapfrog ADI-FDTD中的细线天线建模

3.4 Leapfrog ADI-FDTD细线算法的无条件稳定性

3.5表面电流计算方法

3.6 Leapfrog ADI-FDTD细线算法的数值实验

3.7本章小结

第4章 双频双圆极化偏心圆环微带天线设计与分析

4.1圆极化与双频微带天线介绍

4.2天线结构设计与工作机理

4.3 天线性能分析

4.4实验测试与结果分析

4.5本章小结

第5章 总结与展望

5.1全文总结

5.2未来工作展望

参考文献

个人简介

攻读硕士期间的主要工作成果