基于并行FDTD的大型天线及阵列模拟与优化研究

发布时间：2018-04-29 18:12

本文选题：时域有限差分法 + 非均匀网格　；参考：《西南交通大学》2017年博士论文

【摘要】：一直以来,在远距离通信、雷达侦测、深空探测以及电子目标打击等研究领域,往往都需要采用具有高增益、定向性能好的天线。为了满足上述要求,工程上一般采用大口径的反射面天线或者大型阵列天线,这必将导致天线的电尺寸急剧增大。在大型反射面天线及阵列天线的模拟与设计过程中,传统的高频方法、全波方法、阵列综合方法往往无法兼顾计算精度与计算效率。为此,本文以并行FDTD技术为基础,针对具有电大尺寸结构的波束波导反射面天线及超宽带阵列天线,研究其快速、准确的模拟方法,以期缩短天线及阵列的设计周期,降低制造成本。本文主要研究工作如下:第一,为了解决电大尺寸天线及阵列在全波模拟过程中耗时长、占用内存大的问题,首先研究了并行非均匀网格FDTD方法及其关键技术,可以有效缩短FDTD方法的模拟时间。然后,针对实际工程应用中常出现的对称结构天线辐射问题,提出在并行非均匀网格FDTD中采用对称边界条件,使网格量和计算时间缩减为原来的一半。采用该并行算法模拟了圆弧式变形TEM喇叭天线及微带反射阵天线,通过对比验证了算法程序的准确性。最后,在曙光12核服务器上测试了非均匀网格FDTD程序的并行效率,结果显示,程序并行效率超过了 80%。第二,实现了旋转对称FDTD与三维非均匀网格FDTD相结合的混合算法及JBORAO软件编制。首先以并行旋转对称FDTD及混合优化算法为基础,编制了旋转对称型天线优化软件JBORAO,实现了圆锥喇叭天线的优化设计及旋转抛物面天线快速模拟。然后针对波束波导反射面天线,由于其具有电大尺寸结构,全波模拟几乎难以实现。为此,利用波束波导反射面天线的局部旋转对称特性,提出了旋转对称FDTD与三维非均匀网格FDTD相结合的混合算法。在保证具有全波模拟精度的同时,计算时间大幅度缩减。此外,采用并行技术,进一步加快计算速度。通过对波束波导反射面天线缩比模型的模拟,并与电磁软件的结果进行对比,验证了混合算法的准确性。最后,提出了混合算法与优化算法相结合的优化设计方案,对X波段的波束波导反射面天线进行了优化,优化后的天线增益明显提升,副瓣电平也有所降低。第三,研究了超宽带脉冲天线阵列时域远场特性的快速计算方法。以有源单元方向图为基础,提出了通过小型阵列时域远场计算结果外推大型阵列峰值功率方向图及能量方向图的快速计算方法。首先以圆弧式变形TEM喇叭天线为例,采用5元直线阵的远场外推11元直线阵的远场。通过与方向图乘积法及全波方法的对比,证明本文方法既能考虑互耦影响,又能保证计算效率。此外,采用田口算法对11元线阵进行优化,降低了阵列的副瓣电平。然后研究了平面阵的外推方法,通过25元平面阵(5×5)的远场外推得到了 121元平面阵(11 × 11)的远场,验证了方法的准确性,并计算了 450元平面阵(15 × 30)的峰值功率方向图及能量方向图。最后,提出了将阵列外推方法与优化算法相结合的研究方案,分析了馈电不同步以及单元失效等不稳定因素对阵列辐射性能带来的最坏影响。第四,研究了超宽带天线辐射场对近地面目标的电磁作用。首先,提出了非均匀网格离散的半空间FDTD方法。通过对一维修正麦克斯韦方程进行非均匀网格离散,在包含层状地面的半空间电磁问题中引入平面波源,减少了半空间FDTD的计算网格量与计算时间。然后,采用该方法模拟了高斯脉冲平面波作用下的地表目标及地下目标电磁散射问题,验证了方法的准确性。此外,基于天线辐射远场的平面波近似,模拟并分析了圆弧式变形TEM喇叭天线辐射场作用下的地雷电磁散射及地面上示波器机箱电磁耦合问题。与均匀网格半空间FDTD相比,文中方法的计算速度明显提升。最后,模拟了机载超宽带天线阵列辐射场作用下的建筑物电磁耦合问题。
[Abstract]:In order to meet the above requirements , a hybrid algorithm with high gain and good directional performance is often used in the research fields such as long distance communication , radar detection , deep space detection and electronic target attack . In this paper , a method for calculating the peak power direction and energy direction of a large - band antenna array is presented .

【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN820

【参考文献】