混合快速算法在天线辐射和散射问题中的研究与应用

论文摘要

复杂电大尺寸载体平台上天线的辐射特性分析以及天线雷达散射截面（RCS）的分析与预估一直是备受关注的难点课题之一。本文研究的主要内容是如何快速分析电大尺寸载体平台上天线的辐射特性以及电大尺寸导体目标和阵列天线RCS的频空二维特性。本文采用以矩量法为基础的高低频混合算法（矩量法结合物理光学混合法）以及与快速扫频技术相结合的混合算法来解决上述问题。由于矩量法是本文后续章节的基础,详细介绍了其建模以及求解的具体过程,其中包括基函数的选取,奇异性的处理以及矩阵方程的求解。采用矩量法求解自由空间中理想导体散射问题以及天线辐射问题,并将其引入到阵列天线散射特性的分析中,详细地分析了振子阵列天线在接不同负载时其RCS的变化情况,比较了平面振子阵列天线与圆柱面振子阵列天线之间RCS的差异。对于电大尺寸载体平台附近天线辐射性能的分析,本文采用矩量法结合物理光学混合算法（MoM-PO）来分析。以线面连接结构作为主要研究对象,引入面/面连接模型,详细介绍了MoM-PO混合法结合面/面连接模型的具体实现过程,提高了对电大尺寸载体平台上天线辐射性能的分析能力。将MoM-PO混合算法和混合优化算法用于考虑互耦情况下满足最小阵元间距约束的阵列天线设计中,通过调整阵元间距来优化辐射阵因子,有效地实现了考虑互耦情况下副瓣电平的抑制,真实的考虑了天线的整个结构对于辐射方向图的影响。针对MoM-PO混合法自身存在的一些问题,本文对其作了相应的改进和扩展性研究。本文对PO电流在阴影区失效的问题作了有效的修正,分析了电大尺寸载体平台上有线面连接结构的天线辐射特性。针对MoM-PO混合算法中未考虑边缘绕射对PO区域电流的影响,本文利用等效边缘电流法对PO区域的电流进行了修正,计算精度得到了显著的提高。并且将修正后的MoM-PO混合算法引入到电大尺寸导体目标和电大尺寸载体平台上阵列天线的散射特性分析中,修正后MoM-PO混合算法的计算精度得到了明显的提高（尤其是对于散射问题来说）,使得MoM-PO混合算法的应用范围得到了大大的扩展。考虑到在实际应用中,我们往往关心的是如何快速有效地计算导体目标的宽频带和宽角域的雷达散射截面以及天线辐射特性和散射特性的宽频带分析。本文首先详细介绍了AWE技术和Maehly逼近的基本原理和相关公式,将MoM分别与AWE技术和Maehly逼近相结合用于快速分析三维任意形状导体目标RCS的频率响应和角度响应,有效地提高了单站RCS的计算效率,通过比较得出了AWE技术和Maehly逼近在计算导体目标宽频带和宽角域的单站RCS时的优缺点。由于AWE技术自身的不足和局限性,使其应用范围受到了限制。Maehly逼近与AWE技术相比,最大的优势在于Maehly逼近不需要计算阻抗矩阵的高阶导数矩阵,减小了程序编写的复杂度,很容易和现有的MoM和MoM-PO混合算法的计算机代码相结合。与AWE技术中Padé逼近相比,在相同的展开阶数的情况下,Maehly逼近能在更宽的频带和角域内很好地与MoM计算的结果相吻合。因此,本文提出将Maehly逼近结合修正后的MoM-PO混合算法引入到电大尺寸载体平台上线天线输入阻抗和回波损耗的分析中,进一步扩展了MoM-PO混合算法的应用范围。在实际应用中,我们往往关心的是导体目标在宽频带和宽角域内RCS值的同时获取。单变量的Maehly逼近在计算导体目标雷达散射截面的频率响应中的应用已经比较成熟了,但一维单变量的Maehly逼近无法获得导体目标三维的RCS数据。因此,本文将Maehly逼近扩展成二维双变量外推技术,应用于快速分析三维任意形状导体目标和阵列天线的雷达散射截面的空频二维特性,进一步扩展Maehly逼近的应用范围。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基于矩量法的高低频混合算法研究进展
• 1.2.2 快速扫频算法研究进展
• 1.3 论文的内容安排及主要工作
• 第二章 雷达散射截面的基本概念和天线散射的基本理论
• 2.1 雷达散射截面（RCS）的定义
• 2.2 天线的散射理论
• 2.3 小结
• 第三章 矩量法在天线辐射和散射问题中的研究与应用
• 3.1 引言
• 3.2 矩量法的数学原理
• 3.3 分析理想导电体（PEC）散射的矩量法
• 3.3.1 电场积分方程（EFIE）
• 3.3.2 基函数的选取
• 3.3.3 阻抗矩阵的计算
• 3.3.4 激励向量的计算
• 3.3.5 矩阵方程的求解和远场RCS 的计算
• 3.4 电磁目标的几何建模
• 3.5 数值结果与分析
• 3.5.1 目标散射问题
• 3.5.2 天线辐射问题
• 3.5.3 天线散射问题
• 3.6 小结
• 第四章 矩量法结合高频近似法的混合算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于RWG 基函数的MoM-PO 混合算法
• 4.2.1 基本原理与公式
• 4.2.2 遮挡判断
• 4.2.3 数值结果与分析
• 4.3 基于面/面连接模型的MoM-PO 混合算法
• 4.3.1 面/面连接模型
• 4.3.3 数值结果与分析
• 4.4 小结
• 第五章 矩量法结合物理光学混合法的改进与扩展研究
• 5.1 引言
• 5.2 阴影区域物理光学电流修正问题的研究
• 5.2.1 基本原理与公式
• 5.2.3 数值结果与分析
• 5.3 利用等效边缘电流法修正PO 区电流的研究
• 5.3.1 基本原理与公式
• 5.3.2 数值结果
• 5.4 小结
• 第六章 宽频带和宽角域雷达散射截面的快速分析研究
• 6.1 引言
• 6.2 渐近波形估计技术（AWE）
• 6.2.1 基本原理与公式
• 6.2.2 数值结果与分析
• 6.3 Maehly 逼近
• 6.3.1 基本原理与公式
• 6.3.2 数值结果与分析
• 6.4 基于Maehly 逼近的RCS 频率和角度同时外推方法
• 6.4.1 基本原理与公式
• 6.4.2 数值结果与分析
• 6.5 小结
• 第七章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果