基于高斯波束高频方法的分析和研究

发布时间：2020-07-18 09:58

【摘要】：随着科学技术的发展,计算电磁学需要分析的问题常常是电大尺寸的。与全波方法相比,物理光学法(PO)具有计算机资源占用少、仿真速度快等优点,常常被用于电大尺寸问题的分析,然而物理光学电流的数值积分仍十分耗时。引入高斯波束(GB)后,物理光学电流的积分可以得到大大简化。本文以高斯波束为线索,分别讨论频域高斯波束(FDGB)在二次曲面和非均匀有理B样条曲面(NURBS)上频域物理光学(FDPO)电流积分计算、时域高斯波束(TDGB)在脉冲辐射天线(IRA)和三角形剖分结构上时域物理光学(TDPO)电流积分计算以及频域高斯波束在无限大周期结构辐射和散射问题分析中的应用。本文主要研究以下内容:首先,介绍了频域高斯波束的基本参数,分析频域高斯波束照射下二次曲面上频域物理光学电流积分计算的基本理论,该积分可以得到与电尺寸无关的解析结果,大大提高了频域物理光学电流积分的计算效率。针对反射面天线应用,在局部坐标系中给出了反射面天线的二次曲面近似。采用远区场匹配法将馈源辐射场展开为频域高斯波束,其传播轴线上的磁场矢量通过二次插值求出。将每个频域高斯波束照射下二次曲面的物理光学场叠加,可得馈源照射下二次曲面的总场。仿真了电大尺寸正馈、偏馈以及相控阵馈电有限扫描反射面天线的辐射性能。频域绕射场的计算采用频域等效边缘电磁流法(FDEEC)。接着,讨论频域高斯波束在NURBS曲面上频域物理光学电流积分计算中的应用。介绍了NURBS曲面的基本理论及其在建模中的优点。采用分层积分法(DQM)计算频域高斯波束照射下NURBS曲面上频域物理光学电流的积分,该方法具有稳定、准确、与电尺寸无关等优点,大大提高了频域物理光学电流积分的计算效率。计算了频域高斯波束照射下NURBS曲面表示的电大尺寸理想导电平面、圆柱片、圆球片以及高阶NURBS曲面的散射场,并讨论了频域高斯波束束腰宽度对散射场的影响。其次,介绍时域高斯波束的基本参数,给出时域高斯波束照射下脉冲辐射天线阶跃响应和脉冲响应的计算方法。通过坐标变换将时域高斯波束照射下脉冲辐射天线阶跃响应和脉冲响应时域物理光学电流的积分从直角坐标系转换到极坐标系中,得到与尺寸无关的准解析结果,该方法只需消耗极少的计算机资源就可以计算CST需要巨大内存才能仿真的模型。采用自适应时间插值算法提高脉冲响应的计算精度。得到脉冲响应后,与激励信号相卷积可得单个时域高斯波束照射下脉冲辐射天线的瞬态响应。通过在频域匹配远区场,将馈源时域辐射场展开为时域高斯波束,将每个时域高斯波束照射下脉冲辐射天线的瞬态响应叠加,可得馈源照射下脉冲辐射天线总的瞬态响应。时域绕射场的计算采用时域等效边缘电磁流法(TDEEC)。再次,介绍时域高斯波束在三角形剖分结构上时域物理光学电流积分计算中的应用。三角形剖分具有结构简单、能够描述复杂模型等优点,广泛应用于计算电磁学中。时域高斯波束照射下,剖分三角形上时域物理光学电流的二维积分可以简化为一维积分,大大提高了时域物理光学电流积分的计算效率。提出了基于高斯波束传播特性的z-buffer算法用于判断物理光学的亮区和暗区。采用上述方法计算了时域高斯波束照射下电大尺寸理想导电平面、菲涅尔区反射面天线、导弹模型以及飞机模型的瞬态响应。最后,介绍频域高斯波束在无限大周期结构辐射和散射问题分析中的应用。将一维和二维无限大周期结构的聚焦点从实空间解析延拓到复空间,实现一维和二维无限大周期结构的高斯激励。采用泊松求和公式将一维和二维无限大周期结构单元辐射场的求和转化为弗洛盖(Floquet)模式的求和,对弗洛盖模式的求和具有快速收敛的优点,且弗洛盖模式具有和频域高斯波束类似的传播特性。分析了一维无限大周期结构在复点源波束照射下的散射特性。采用泊松变换将单元散射场的求和转化为对弗洛盖模式的求和,对弗洛盖模式的求和具有快速收敛的优点,且弗洛盖模式具有和频域高斯波束类似的传播特性。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O441

【引证文献】