复杂电磁环境中快速多极子方法的研究与应用
机载、舰载等复杂电大尺寸运载平台中，天线的受扰辐射特性以及多天线系统的电磁兼容性(EMC)分析一直是工程界备受关注的难点课题之一。此外，在高性能天线设计、雷达目标隐身和反隐身技术研究、雷达系统设计与雷达目标识别、现代电子系统电磁兼容性分析等领域，也经常需要对一些具有复杂结构的三维电大尺寸目标作电磁建模。为满足上述工程需求，本文主要研究复杂电大尺寸金属结构的散射和辐射问题，以及电大尺寸运载平台中天线之间的电磁兼容问题；研究目标是对复杂电大尺寸结构作高效电磁建模和快速计算，并最终解决一些实际工程中的难点问题。为此，本文以电磁场表面积分方程(SIE)理论作为理论基础，在经典矩量法(MoM)的基础上使用多层快速多极子方法(MLFMA)来加速求解过程和降低内存需求。论文围绕两类问题展开讨论，第一类是针对天线结构的电磁辐射和耦合问题；第二类是电大尺寸目标的雷达电磁散射特性以及宽带时域(TD)响应问题。
对于电磁辐射和耦合问题，以线面连接结构作为主要研究对象，介绍了线面连接模型的三种基函数，详细讨论了线面连接模型的矩量法实现过程。继而采用多层快速多极子方法进行加速，提高了电大尺寸辐射问题的求解能力。为了提高求解效率，对于单频点问题，采用近场阻抗矩阵方程的解作为迭代初值；对于多频点问题，则采用继承迭代法。同时，设计了基于基函数“物理邻居”的预条件方法，该方法考虑对近场贡献最重要的部分，构造简单，并且能够有效加快共轭梯度(CG)类型迭代法的收敛速度。
对于电磁散射问题，在分析散射体频域(FD)散射特性的基础上，定义了频域散射矩阵。该矩阵依赖于散射体的几何结构和材料特性、入射波频率、入射方向以及散射方向等。为了得到超宽带(UWB)时域响应，我们首先采用基于频域积分方程的方法求解频域散射结果，然后利用快速傅立叶逆变换(IFFT)将频域散射结果转换到时域。为了描述超宽带时域响应，我们引入了归一化时域响应矩阵。该矩阵与散射矩阵类似，依赖于平面波入射方向和散射方向等。
为了考虑地面、海面等环境因素的影响，进一步研究了半空间环境的多层快速多极子方法。对于半空间近场作用，采用严格的半空间并矢格林函数进行处理，这类似于半空间矩量法；对于远场作用的直射场(即未经过半空间分界面反射的直接辐射场)，采用对自由空间情况修正后的多层快速多极子方法进行处理；对于远场作用的反射场，采用实镜像方法，该方法物理概念清晰，具有良好的收敛性和稳定性。与离散复镜像方法(DCIT)引入多个复镜像相比，实镜像方法仅引入一个实镜像。因此，实镜像方法大大降低了内存需求和计算量。
在电磁辐射和散射分析中，通常遇到一些计算量巨大的问题，例如机载、舰载多天线系统电磁兼容性的分析。为了提高计算效率，扩大计算规模，利用并行计算是非常必要的。为此，本文基于OpenMP实现了适用于多核处理器的并行多层快速多极子方法。该并行算法容易实现，并且并行效率高于目前基于信息传递接口(MPI)的并行算法。作为工程实例，本文利用并行算法分析了飞机、舰船等典型军事编队的电磁辐射和散射问题。文中大量数值结果对于实际工程具有较高参考价值。
多天线系统;电磁兼容性;天线设计;快速多极子;经典矩量法;电磁辐射
西安电子科技大学
博士
电磁场与微波技术
梁昌洪
2008
中文
TN820.15;TN03
146
2009-04-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）