基于多区域面积分方程的电大非均匀等离子体电磁特性高效计算方法

针对临近空间等离子体包覆目标的电磁特性快速准确评估这一迫切需求,本文运用基于多区域面积分方程(multi-region surface integral equation, MR-SIE)的全波数值计算方法,展现电大尺度、非均匀、高负介电常数等离子体的电磁散射与辐射问题的仿真能力。首先,推导了非均匀等离子体的MR-SIE,使用间断伽辽金(discontinuous Galerkin, DG)方法提高对多区域复杂等离子体目标的建模与计算效率,研究了不同方程的数值性能;随后针对电子密度较大的高负介电常数区等离子体,运用一种简洁高效的截断策略,进一步提升了多层快速多极子算法的鲁棒性,避免了SIE计算高损耗介质内问题面临的数值不稳定性。数值实验表明,该方法在计算多种分割方式的多区域等离子体鞘套模型时具有良好的精度和效率,可用于大尺度复杂等离子体目标电磁辐射与散射特性的快速精确评估。     

采用组合单元技术的区域分解算法及其在雷达散射截面优化中的应用

研究了一种采用组合单元技术的区域分解算法,把原求解区域划分为若干个子区域,将每个子区域内部的场值映射到连接节点,通过求解连接节点的场值即可快速获得原问题的解,极大地减少了存储量和计算量,为计算复杂电磁散射问题提供了一种新的途径.这种区域分解算法特别适合于各种优化问题,例如,雷达散射截面的优化.数值算例验证了该方法的准确性和有效性.     

基于节点编码的区域分解算法及其在二维散射中的应用

研究了一种高效率的基于节点编码的区域分解算法.将原始的求解区域分割为若干个相对独立的子区域,使原问题转化为若干个相对独立的子问题,通过求解公共边界上的场值,可以快速获得整个求解区域上的场值,极大地减少了存储量和计算量.此外,这种区域分解算法不仅能够快速、高效、并行地计算电大尺寸柱体的电磁散射,还特别适合于求解具有几何重复性特征的结构,如天线阵列、有限周期频率选择表面、PBG/EBG等的电磁仿真问题.数值算例验证了该方法的准确性和有效性.     

并行多层快速多极子的高效预条件技术

多层快速多极子法是基于矩量法的快速算法,具有较低的计算复杂度和存储复杂度,被广泛应用于目标电磁散射特性分析。对于复杂结构电磁目标,由于矩阵条件数较差,往往存在迭代收敛慢甚至不收敛的问题。针对这一情况,文中利用快速多极子的近区矩阵,结合稀疏矩阵方程求解构造了一种高效预条件。数值实例表明该方法相比于块对角预条件效果更好,能有效加速多层快速多极子迭代过程。     

并行核外高阶矩量法分析机载天线受扰特性

利用核外算法,将计算机硬盘动态的纳入矩量法求解过程打破内存的限制,同时采用并行计算技术加速矩量法的求解过程。通过某飞机的双站雷达散射截面(RCS)计算,验证了核外算法的正确性。最后,将并行核外高阶矩量法用于机载伞形印刷振子天线阵列辐射特性分析,结果表明,该方法可充分利用计算机的硬盘,扩大矩量法可求解问题的规模。     

棱边元分区的区域分解算法及其在电磁问题中的应用

针对三维电磁问题,该文提出了采用非结构化网格剖分计算区域,并按单元进行区域划分的区域分解算法。将原求解区域划分为若干个不重叠的子区域,先通过求解容量矩阵获得子区域之间连接边界上的场值,再利用矢量有限元快速计算出每个子区域内部的场值,显著地降低了计算复杂度和存储量。通过引入预条件的Krylov子空间法求解容量矩阵方程,加速了收敛,进一步提高了效率。数值算例验证了该方法的准确性和有效性。     

基于混合ACA的缺陷钢轨高效电磁建模

提出了一种基于矩量法(MoM)结合多层快速多极子(MLFMA)和自适应交叉近似(ACA)算法计算目标电磁特性的算法,该算法实现了对电大尺寸复合目标散射计算的加速和内存的降低。对于目标自作用的近场区域,多层快速多极子加速矩量法中的矩阵矢量乘运算,降低了计算的存储和复杂度;对于远场区域,根据阻抗矩阵的低秩特性,采用ACA对其压缩,加速矩阵的填充。矩阵填充按照树形结构划分的单元块间的相互作用依次进行存储,对每一块与块之间的求解采用ACA算法,对矩阵做压缩处理。提出的基于ACA的混合算法能够对2个目标耦合作用的阻抗矩阵进行压缩,缩短矩阵的填充时间并降低内存需求,同时也能够减少迭代求解过程中矩阵向量的计算时间,从而极大缩短电磁散射计算的总时间。数值仿真实验表明该算法比传统方法计算更高效,且计算精确度保持一致。     

二阶传输条件撕裂互连法在电大辐射中的应用

针对于大尺寸电磁辐射问题,将撕裂互连法应用于三维电大尺寸辐射问题的计算仿真。该算法是区域分解方法中的一种,求解区域划分成互不重叠的子区域,各子区域之间通过拉格朗日乘子将交界面的连续边界条件或者传输条件耦合。鉴于原来的传输条件存在不收敛或者收敛较慢情况,提出同时能在TE/TM凋落模式快速收敛的二阶传输边界条件作为子区域之间交界面的边界条件,并且引入虚拟激励流为交换信息。数值结果表明,该改进算法有效地提高了撕裂互连法在迭代求解中的收敛性。在求解三维电大辐射问题时,该算法仿真结果与有限元算法结果一致,表明撕裂互连算法是计算大尺寸电磁辐射问题的一种有效方法。     

传输线端接复杂电路的电磁耦合时域分析方法

该文基于时域有限差分(FDTD)方法和传输线方程,结合Ngspice软件,提出一种高效的时域混合算法,能够快速模拟空间电磁场作用传输线端接复杂电路的电磁耦合问题。该算法的优势在于实现了空间电磁场辐射与端接复杂电路瞬态响应的协同计算,且避免了对传输线和复杂电路结构的直接建模。首先,将复杂电路通过传输线的特性阻抗进行等效,采用FDTD方法结合传输线方程,求解得到特性阻抗上的入射电流响应。然后,在每个时间步上,将该电流引入复杂电路作为激励源,联合电路模型建立网表文件。最后,使用Ngspice软件读取网表文件,并仿真得到电路各元件上的瞬态响应。通过相应计算实例的数值模拟,与电磁场仿真软件CST的计算结果以及耗用内存和时间进行对比,验证了算法的正确性和高效性。     

传输线端接复杂电路的电磁耦合时域分析方法

该文基于时域有限差分(FDTD)方法和传输线方程,结合Ngspice软件,提出一种高效的时域混合算法,能够快速模拟空间电磁场作用传输线端接复杂电路的电磁耦合问题.该算法的优势在于实现了空间电磁场辐射与端接复杂电路瞬态响应的协同计算,且避免了对传输线和复杂电路结构的直接建模.首先,将复杂电路通过传输线的特性阻抗进行等效,采用FDTD方法结合传输线方程,求解得到特性阻抗上的入射电流响应.然后,在每个时间步上,将该电流引入复杂电路作为激励源,联合电路模型建立网表文件.最后,使用Ngspice软件读取网表文件,并仿真得到电路各元件上的瞬态响应.通过相应计算实例的数值模拟,与电磁场仿真软件CST的计算结果以及耗用内存和时间进行对比,验证了算法的正确性和高效性.     

MM-PO分析电大天线-载体系统的电磁特性

针对电大尺寸目标体的电磁散射和辐射特性,在以处理表面积分方程的矩量法(Moment method,MM)为代表的低频法基础上,将物理光学法(Physical Optical Method,PO)与之有机结合起来,构成MM-PO混合法,对局部区域较为平坦的大型反射面天线、阵列以及载体系统电磁辐射或散射特性进行了仿真研究。结果表明该混合法对于快速有效地分析该类问题具有良好的适用性。     

某机载天线伺服系统电磁兼容设计及分析

本文采用近场电磁干扰源探测定位法分析了某机载天线伺服系统的辐射发射问题。通过对比测试数据确定码盘及开关电源为主要辐射源,针对码盘和开关电源辐射超标的问题采用屏蔽、接地和滤波等措施进行整改。在设计共模滤波器时使用仿真软件CST对滤波器的参数进行仿真,最后通过电磁兼容试验验证整改效果,确定伺服系统的电磁兼容性有明显的改善。     

端射阵机载雷达杂波建模与杂波特性分析

端射阵天线是指波束指向垂直于阵列法线方向的一类特殊雷达天线,由于其具有低剖面和强定向辐射特性,因而特别适合用于机载雷达的补盲。首先,以均匀端射线阵为阵元组建了端射阵列天线,并在端射阵机载雷达几何模型的基础上对端射阵天线的方向图特性进行了分析;然后,进一步构建端射阵机载雷达的杂波回波数学模型;最后,对端射阵机载雷达的杂波空时谱以及在不同情况下的杂波距离-多普勒谱进行了仿真分析,并与传统侧射阵机载雷达的杂波谱进行了比较。理论与仿真结果表明:所建端射阵空时二维杂波模型是合理的,可为下一步开展端射阵机载雷达空时自适应杂波抑制方法的研究提供数据来源。     

舰载塔康天线波束空域扫描的耦合效应分析

针对舰载塔康(TACAN)天线安装架设位置特殊性需求,为解决天线阵列受到电扫描和机械扫描同时作用影响系统测角问题,建立了天线阵列接收信号的数学模型,分析了电扫描和机械扫描对天线阵列波束空域扫描的耦合效应,研究了耦合效应对舰载塔康系统测角性能的影响。理论推导和计算机仿真结果表明,天线接收信号受到阵元馈电频率、天线机械扫描速率以及阵列结构的共同影响,接收信号的周期性不再是馈电信号的频率,且其频谱发生了扩展。通过对机载天线接收信号进行有效滤波处理,可确保舰载塔康系统测角正常工作。     

基于接地天线的超低频信号全向辐射方法

为了解决超低频无线电信号辐射效率极低的难题,采用接地天线辐射超低频信号。由于接地天线辐射具有方向特性,使用一副接地天线对在不同海域里的水下机动平台进行水下通信时,通信可靠性不能得到保证。因此,提出了接地天线全向辐射超低频信号的方法。该方法首先构建两副相互垂直的接地天线以组成天线阵,然后通过精确地控制组成天线阵的两副接地天线输入电流的相位差,使天线阵在水平各方向上辐射的合成电场均匀一致,从而实现了超低频信号全向辐射。该方法能显著提高超低频通信的可靠性,最适合超低频对水下通信和对水下机动平台通信。在目前众多的超低频发射天线设计方案中,采用该方法构建的天线阵尺寸最小,效率最高,且简单、易于实现全向辐射,这对于推广超低频无线电信号在其他领域的应用是具有重要意义。．     

线元天线阵列波束扫描研究

由电磁场理论给出了平面线元天线阵列辐射的瞬态电磁脉冲沿径向坡印亭矢量时间积分的解析解及数值解结果,并利用物理光学理论对所得结果作了对比分析,得到结论:(1)线元天线阵列辐射问题可以简洁地由光栅方程求解;(2)被约束波束的坡印亭矢量时间积分的最大值与阵元数目的平方成正比;(3)保持同一列辐射器元馈电同步,而沿行方向依次作适当馈电时间延迟,可有效将波束控制在预期的很小角域内;(4)保持扫描的半角宽度,线元天线阵列有确定的波束扫描角范围。     

阵列天线的波束扫描与衰减特性

由电磁场理论给出了线元天线阵列波束扫描的解析公式，并由该解析公式得到阵列天线波束扫描的数字结果，然后用光栅方程对所得数字结果作了理论分析，得到以下结论：(1)阵列天线扫描问题可以由光栅方程进行简洁分析；(2)波束能量极大值与阵列天线元数目的四次方成正比；(3)通过适当馈电时间延迟，可以控制波束扫描范围；(4)扫描的角范围依赖所给的半角度宽度要求。     

端射阵机载雷达距离模糊非平稳杂波补偿方法

端射阵天线是指波束指向垂直于阵列法线方向的一类特殊雷达天线,由于其具有低剖面和定向辐射特性,因而特别适合用于机载雷达的补盲.由于端射阵通常呈前视放置,因而与传统前视侧射阵机载雷达一样,不可避免地要面临杂波的距离非平稳问题.本文基于端射阵机载雷达杂波谱特性,提出了一种距离模糊下端射阵近程杂波补偿新方法.该方法以最远可检测距离单元为参考单元并增加了动目标约束保护条件,克服了存在距离模糊时基于杂波谱配准（Registration-Based Compensation,RBC）原理的传统补偿方法存在的目标相消以及计算量大的问题;同时针对可能存在的目标约束失配问题,进一步提出了基于虚拟波束的扩展补偿方法.计算机仿真结果验证了本文方法的有效性.     

电磁脉冲与短波天线耦合特性的研究

为分析电磁脉冲与短波天线的耦合特性,采用计算电磁学矩量法,提出求解天线问题的一般思路。首先采用分域基函数计算出天线的表面电流与输入阻抗,并与FEKO仿真结果相比较,验证该方法的正确性;再计算了激励为电磁脉冲时,通过天线耦合产生的感应电流的频域及时域响应,对系统的电磁脉冲损伤分析有较好的参考价值。     

基于时间反演的天线阵列激励分布确定方法研究

时间反演(TR)是一种新型的电磁波传播与控制方法,具有电磁环境自适应性。采用时间反演方法, 可使结构复杂的天线阵列方向图综合设计简单化。该文初步探索了将时间反演方法应用于微带天线阵列激励设计的可行性,并进行了数值模拟和实验验证。结果表明:对于不同的主波束指向,时间反演法均能准确地确定其对应的激励分布。相对于传统的激励分布确定方法,时间反演法无需互耦补偿计算,准确便捷,且不受阵列和阵元结构形式的限制,在结构复杂阵列的激励分布计算上优势明显。