基于积分方程的FSS电磁特性仿真方法研究
发布时间：2022-01-23 05:15
随着科技和军事的发展,隐身技术逐渐成为研究热点,频率选择表面（FSS）作为隐身结构的重要组成部分,自然也受到了工程和学术界的重视。FSS由二维周期性纯金属阵列或包含介质衬底的金属-介质混合结构组成,实质是一种空间滤波器,对不同频率的电磁波具有选择透过性,根据孔径和贴片形式的不同分别表现带通和带阻的特性。现阶段FSS的工程研究集中在有限大、曲面和共形等不规则结构,以适应越来越复杂的应用环境。但是复杂的FSS不仅几何建模难度很大,并且缺少合适的电磁分析方法,所以FSS的设计过程通常非常困难且耗时。为了能更加准确快速地指导频率选择结构的设计,本文提出了通用的FSS的拓扑和解析建模方法,同时从理论出发针对性地改进了积分方程数值仿真方法,解决了以往FSS求解精度不够和效率不高的问题。本文首先介绍了FSS的特殊分析方法和数值计算的常用算法,对比了不同方法的优劣势,最终确定本文将使用积分方程。之后详细阐述了三种积分方程和适用范围,介绍了积分方程矩量法的求解过程以及加速算法,包括RWG、SWG基函数、多层快速多极子算法（MLFMA）加速矩矢相乘等。然后为了全面认识FSS的电磁特性,本文详细分析了FSS...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
频率选择表面
电子科技大学硕士学位论文82.2.1表面积分方程（SIE）图2-1面等效原理与SIE示意图如图2-1所示，S表示表示封闭曲面，1和0为S的内外两侧，1的介电常数和磁导率分别为1、1，Einc、Hinc表示入射场，根据面等效原理（SEP）可知，1内部的场对外部的作用可以由S面上的等效电流和等效磁流来描述：11()()()()SSnn==JrHrMrEr(2-1)采用等效电流和等效磁流代替后，内部的场可以为0，根据Stratton-Chu公式，得到0区域电场和磁场积分方程形式：()()()()00010001(),()(")(")0,1(),()(")(")0,incssincssLKLK+=++=ErrErJrMrrHrrHrMrJrr(2-2)其中，源点位于分界面S之外，0=120表示自由空间波阻抗，L()X、K(X)是线性积分算符：21()(,")(")"(")(")(,")"()(,")(")"1(")(,")(")",""21=(")(,")(")","2SSSSSLikdikGdkKGdnGdSnGdS====++XGrrXrrXr+XrrrrXrrXrrXrrrXrrrrrrXrrrXrrrr，当位于同侧,且或，当位于异侧,且rr"(2-3)其中，r表示场点位置，r"表示源点位置，G(r,r")、G(r,r")分别为标量格林函数和并矢格林函数，表示由点源产生的标量场和矢量场：
第二章电磁计算理论与仿真方法9"2(,")4"(,")(,")ikeGGk==+rrrrrrGrrIrr(2-4)式(2-2)可以建立TE、TH、NE、NH四个方程，由它的内部对称形式，同样可以建立另外四个方程，这八个积分方程含有两个待求量SM、sJ，那么从这八个方程中选取两个联立起来，就可以获得面积分方程，注意选取的必须是两个相互独立的方程，常用的面积分方程有PMCHWT方程、Muller方程、JMCFIE方程等。如果目标是纯金属，则S表面电场切向分量为零，在金属表面建立电场积分方程（EFIE）和磁场积分方程（MFIE）：()0()(")incsEr=LJr(2-5)inc()(()")snHr=nKMr(2-6)EFIE求解精度较高，又因为在分界面两侧连续，可以求解无限薄金属结构，等效电流为两侧电流之和SS+J=J+J，但是它往往收敛缓慢。而MFIE与EFIE相反，因为K()à÷’算子存在独立于积分外的项，所以阻抗矩阵性态更好，具有较好的收敛性，但MFIE精度较差并且不连续，必须求解封闭金属体。为了综合EFIE和MFIE的优点，建立混合场积分方程（CFIE）：()0CFIE=EFIE+1MFIE(2-7)其中为组合系数，取值范围为0-1，CFIE具有较高的精度和求解效率，也可以规避入射波频率与散射体的谐振频率相同时的内谐振问题。2.2.2体积分方程（VIE）SIE常被用于计算金属，介质结构虽然也可以使用SIE，但格林函数往往没有解析表达式，所以一般采用体积分方程进行求解。体积分方程需要对介质体进行剖分，当介质体积很大或计算频率很高时，未知量数目将非常多。图2-2体等效原理与VIE示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进的体面积分方程区域分解方法高效求解有限大频率选择表面结构的电磁散射特性[J]. 李先进,雷霖,陈涌频,江明,荣志,胡俊. 电波科学学报. 2019(01)
[2]有限周期频率选择面的电磁特性分析[J]. 樊振宏,陈明,汪书娜,陈如山,杜彪,梁赞明. 电波科学学报. 2009(04)
[3]超越椭球体:一族新的天线罩外形[J]. P.L.Overfelt,陈波. 制导与引信. 1996(02)
博士论文
[1]超电大目标电磁散射问题的积分方程区域分解方法研究[D]. 韩奎.电子科技大学 2018
[2]基于积分方程区域分解法的研究及应用[D]. 江明.电子科技大学 2016
[3]粗糙海面与目标复合电磁散射相关算法的研究与优化[D]. 满明远.西安电子科技大学 2014
[4]频率选择表面的小型化设计与优化技术研究[D]. 郑书峰.西安电子科技大学 2012
[5]非均匀复杂结构目标电磁散射理论建模与高效算法研究[D]. 何十全.电子科技大学 2011
本文编号：3603675
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
频率选择表面
电子科技大学硕士学位论文82.2.1表面积分方程（SIE）图2-1面等效原理与SIE示意图如图2-1所示，S表示表示封闭曲面，1和0为S的内外两侧，1的介电常数和磁导率分别为1、1，Einc、Hinc表示入射场，根据面等效原理（SEP）可知，1内部的场对外部的作用可以由S面上的等效电流和等效磁流来描述：11()()()()SSnn==JrHrMrEr(2-1)采用等效电流和等效磁流代替后，内部的场可以为0，根据Stratton-Chu公式，得到0区域电场和磁场积分方程形式：()()()()00010001(),()(")(")0,1(),()(")(")0,incssincssLKLK+=++=ErrErJrMrrHrrHrMrJrr(2-2)其中，源点位于分界面S之外，0=120表示自由空间波阻抗，L()X、K(X)是线性积分算符：21()(,")(")"(")(")(,")"()(,")(")"1(")(,")(")",""21=(")(,")(")","2SSSSSLikdikGdkKGdnGdSnGdS====++XGrrXrrXr+XrrrrXrrXrrXrrrXrrrrrrXrrrXrrrr，当位于同侧,且或，当位于异侧,且rr"(2-3)其中，r表示场点位置，r"表示源点位置，G(r,r")、G(r,r")分别为标量格林函数和并矢格林函数，表示由点源产生的标量场和矢量场：
第二章电磁计算理论与仿真方法9"2(,")4"(,")(,")ikeGGk==+rrrrrrGrrIrr(2-4)式(2-2)可以建立TE、TH、NE、NH四个方程，由它的内部对称形式，同样可以建立另外四个方程，这八个积分方程含有两个待求量SM、sJ，那么从这八个方程中选取两个联立起来，就可以获得面积分方程，注意选取的必须是两个相互独立的方程，常用的面积分方程有PMCHWT方程、Muller方程、JMCFIE方程等。如果目标是纯金属，则S表面电场切向分量为零，在金属表面建立电场积分方程（EFIE）和磁场积分方程（MFIE）：()0()(")incsEr=LJr(2-5)inc()(()")snHr=nKMr(2-6)EFIE求解精度较高，又因为在分界面两侧连续，可以求解无限薄金属结构，等效电流为两侧电流之和SS+J=J+J，但是它往往收敛缓慢。而MFIE与EFIE相反，因为K()à÷’算子存在独立于积分外的项，所以阻抗矩阵性态更好，具有较好的收敛性，但MFIE精度较差并且不连续，必须求解封闭金属体。为了综合EFIE和MFIE的优点，建立混合场积分方程（CFIE）：()0CFIE=EFIE+1MFIE(2-7)其中为组合系数，取值范围为0-1，CFIE具有较高的精度和求解效率，也可以规避入射波频率与散射体的谐振频率相同时的内谐振问题。2.2.2体积分方程（VIE）SIE常被用于计算金属，介质结构虽然也可以使用SIE，但格林函数往往没有解析表达式，所以一般采用体积分方程进行求解。体积分方程需要对介质体进行剖分，当介质体积很大或计算频率很高时，未知量数目将非常多。图2-2体等效原理与VIE示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进的体面积分方程区域分解方法高效求解有限大频率选择表面结构的电磁散射特性[J]. 李先进,雷霖,陈涌频,江明,荣志,胡俊. 电波科学学报. 2019(01)
[2]有限周期频率选择面的电磁特性分析[J]. 樊振宏,陈明,汪书娜,陈如山,杜彪,梁赞明. 电波科学学报. 2009(04)
[3]超越椭球体:一族新的天线罩外形[J]. P.L.Overfelt,陈波. 制导与引信. 1996(02)
博士论文
[1]超电大目标电磁散射问题的积分方程区域分解方法研究[D]. 韩奎.电子科技大学 2018
[2]基于积分方程区域分解法的研究及应用[D]. 江明.电子科技大学 2016
[3]粗糙海面与目标复合电磁散射相关算法的研究与优化[D]. 满明远.西安电子科技大学 2014
[4]频率选择表面的小型化设计与优化技术研究[D]. 郑书峰.西安电子科技大学 2012
[5]非均匀复杂结构目标电磁散射理论建模与高效算法研究[D]. 何十全.电子科技大学 2011
本文编号：3603675
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