阵列天线RCS快速精确计算

论文摘要

本文将周期边界条件应用于总场-散射场划分的有限元（TSFD-FEM）方法中,对阵列天线的电磁散射特性进行分析。首先,采用Mur吸收边界条件对计算区域进行截断,建立了涵盖总场和散射场区域的等价泛函,可以根据需要灵活地得到总场值和散射场值;采用体激励方法在整个总场区强加平面波,可减小入射波在散射场区的泄漏,提高计算精度。为了验证TSFD-FEM算法的有效性和精确性,本文计算了微带天线等复杂介质组成目标单元的雷达散射截面（RCS）,并与商用软件的仿真结果进行对比。在此基础上,采用微带天线端口的阻抗加载方法,实现了对天线通道的模拟。为进一步对阵列天线的RCS进行精确分析,根据Floquet定理,采用周期边界条件对计算区域进行截断,计入了单元之间耦合。计算区域的建模和网格剖分均采用Hypermesh软件,从而保证了周期边界上的网格对称。基于上述周期边界条件的TSFD-FEM方法,借鉴亚全域基函数与有限元（SED-MoM/FEM）混合方法的思想,本文提出了PSED/FEM混合方法,对阵列天线等大规模有限周期结构目标的电磁散射特性进行分析。通过对阵列天线等一维有限周期结构目标的RCS进行计算,并与商用软件的仿真结果进行对比,验证了PSED/FEM混合方法的精确性和有效性。同时,采用TSFD-FEM分别提取OB边界上的总场或散射场作为SED基函数并进行对比,数值算例表明:提取散射场作为SED基函数的计算结果相对更为精确。为提高算法的计算效率,本文运用OpenMP并行技术对PSED/FEM混合方法进行并行优化。将TSFD-FEM中的矩阵求解模块和SED-MoM中的阻抗矩阵填充模块分别进行并行,仿真结果表明,经过这样的并行处理后,TSFD-FEM和SED-MoM在8CPU工作站上的最大加速比可分别达到4.51和6.72,从而实现了PSED/FEM的高效分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 阵列天线 RCS 的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 天线RCS 的 TSFD-FEM 方法分析
• 2.1 引言
• 2.2 TSFD-FEM 方法基本原理
• 2.2.1 TSFD-FEM 泛函公式
• 2.2.2 区域离散
• 2.2.3 插值基函数的选取
• 2.2.4 连接边界的耦合处理
• 2.2.5 入射平面电磁波
• 2.2.6 体激励方法强加入射波
• 2.2.7 方程组的建立
• 2.3 典型目标 RCS 计算
• 2.3.1 介质涂覆立方体
• 2.3.2 底面接地介质平板
• 2.3.3 矩形贴片微带天线
• 2.4 天线通道模拟
• 2.4.1 天线阻抗加载基本原理
• 2.4.2 阻抗加载的微带天线散射特性分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 阵列天线RCS 的 PSED/FEM 方法分析
• 3.1 引言
• 3.2 PSED/FEM 方法基本原理
• 3.3 周期边界条件基本理论
• 3.4 一维阵列目标 RCS 计算
• 3.4.1 阵列金属立方体
• 3.4.2 阵列金属平板
• 3.4.3 阵列介质平板
• 3.4.4 阵列矩形贴片微带天线
• 3.5 本章小结
• 第四章 PSED/FEM 方法精度分析
• 4.1 引言
• 4.2 基本原理
• 4.3 总场、散射场基函数精度分析
• 4.3.1 背景噪声
• 4.3.2 金属目标
• 4.3.3 介质目标
• 4.4 本章小结
• 第五章 OPENMP 并行技术
• 5.1 引言
• 5.2 OPENMP 并行技术基本原理
• 5.2.1 共享存储模型
• 5.2.2 循环的并行化
• 5.3 TSFD-FEM 并行加速
• 5.3.1 算法流程分析
• 5.3.2 数值算例结果
• 5.4 SED-MOM 并行加速
• 5.4.1 算法流程分析
• 5.4.2 数值算例结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表学术论文