多层介质目标及介质覆盖金属目标的电磁散射特性分析

发布时间：2020-07-26 12:40

【摘要】：薄壳介质材料,特别是分层介质材料,具有质量轻、强度高等优点,已在实际工程中越来越多地用作天线罩、隔热罩和雷达吸波结构。但是,介质电磁散射的数值建模长期面临未知量数目巨大、迭代收敛性能较差等技术挑战。面对上述问题,本文从薄介质片建模方法以及基函数改进两个方面着手,在如何准确、快速地求解多层薄介质以及介质覆盖金属目标的电磁散射特性问题中开展了一系列研究工作。首先,本文介绍了积分方程方法的理论基础和数值实现,包括表面积分方程、体积分方程和体面积分方程方法。除此之外,基于体积分方程方法的薄介质片(TDS)等效方法也得以详细介绍。在此基础上,系统地阐述了矩量法的数值实现和关键技术,并研究了利用数值方法求解电磁散射问题的具体步骤。其次,研究了适用于单层薄介质涂敷金属目标的修正单层TDS等效方法。考虑到格林函数取值精度对积分结果的影响,在有效控制计算量的前提下,使离散网格中格林函数的取值更逼近真实值,从而提高数值积分精度;同时,在保证精度不变的前提下还扩大了单层介质厚度的适用范围。基于上述改进的单层TDS模型,提出了适用于多层薄介质以及多层薄介质覆盖金属目标的修正多层TDS等效方法,并推导出相应的递推公式。在本文提出的修正多层TDS等效模型中,各介质薄层的体电流可根据不同的电流方向分解为切向体电流和法向体电流分量;其中,体电流切向和法向分量的横向分布在横向电流面内分别用CRWG基函数和脉冲基函数展开;法向体电流分量的法向分布则依据麦克斯韦方程推导出法向的递推关系式。为了节约未知量个数,先前的多层TDS方法在描述法向体电流的法向分布时仅使用了单向的递推公式来减少法向未知量的个数。然而,对于厚度偏大的介质层,单向递推过程将导致较大的递推误差。本文提出的修正多层TDS等效方法改进了法向未知量的递推公式,使其由单向递推变为双向(上下两方向同时)递推,从而提高了处理同一厚度介质层散射问题的求解精度。在给定数值解容差的前提下,该方法则增加了可模拟的介质层厚度。为实现电大尺寸目标的高效求解,本文分别将修正单层TDS方法与修正相位提取基函数、修正多层TDS方法与相位提取基函数相结合,进一步简化了电大尺寸薄介质涂敷金属目标和多层薄介质目标的电磁散射模型。当介质涂敷金属目标中介质涂敷层非常薄时,受PEC边界条件的规范,介质体内体电流的切向分量可视为零,那么体电流法向分量则与金属表面感应电流相关。采用修正相位提取基函数来描述金属表面感应电流,可对单层薄介质涂敷的凹、凸金属目标予以快速准确分析。另一方面,多层薄介质壳具有多层薄介质波导的导波特性,因此介质体内体电流沿介质体切向方向的分布可认为主要是行波分布。仅采用行波类型的相位提取基函数来描述介质体内电流分布,即可对多层薄介质目标快速准确分析。针对夹层介质罩的电磁特性建模,本文提出了分层体积分方法。对于夹层介质罩而言,它不再是单一的薄层,而是薄层与厚层并存,例如A-夹层介质罩就是内外表面高强度薄层之间有透波率较高的厚夹层的结构。针对夹层介质罩的具体结构,提出了等效分层模型;根据天线罩厚度的不同提出相应的未知量选择准则,使未知量个数最大程度地减少。最后,作为本文方法的另一典型应用,文中考察了临近空间高超声速飞行器及其等离子体鞘套、飞行器天线的一体化理论建模与数值分析。当入射电磁波频率提升到接近微波频段时,临近空间高超声速飞行器即是典型的电大尺寸目标。临近空间飞行器在做高速飞行时,飞行器周围的气体在高温摩擦下产生大量的等离子体分布在飞行器表面。与飞行器的电尺寸相比,等离子体鞘套是很薄的。本文将等离子体鞘套等效为多层介质材料,因此,覆盖等离子体鞘套的高超声速飞行器目标可被看作薄介质覆盖金属目标。结合体面积分方程方法、修正单层TDS方法和修正多层TDS方法,即可实现对包覆等离子体鞘套的高超声速飞行器电磁散射性能的高效分析。其中,修正单层TDS方法和修正多层TDS方法具有较少的未知量,更容易实现对临近空间高超声速飞行器及其等离子体鞘套、飞行器天线的一体化高效分析。
【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】：TN011


本文编号：2770776