基于高斯波束高頻方法的分析和研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算電磁學(xué)需要分析的問題常常是電大尺寸的。與全波方法相比，物理光學(xué)法(PO)具有計(jì)算機(jī)資源占用少、仿真速度快等優(yōu)點(diǎn)，常常被用于電大尺寸問題的分析，然而物理光學(xué)電流的數(shù)值積分仍十分耗時(shí)。引入高斯波束(GB)后，物理光學(xué)電流的積分可以得到大大簡化。本文以高斯波束為線索，分別討論頻域高斯波束(FDGB)在二次曲面和非均勻有理B樣條曲面(NURBS)上頻域物理光學(xué)(FDPO)電流積分計(jì)算、時(shí)域高斯波束(TDGB)在脈沖輻射天

2、線(IRA)和三角形剖分結(jié)構(gòu)上時(shí)域物理光學(xué)(TDPO)電流積分計(jì)算以及頻域高斯波束在無限大周期結(jié)構(gòu)輻射和散射問題分析中的應(yīng)用。本文主要研究以下內(nèi)容：
　　首先，介紹了頻域高斯波束的基本參數(shù)，分析頻域高斯波束照射下二次曲面上頻域物理光學(xué)電流積分計(jì)算的基本理論，該積分可以得到與電尺寸無關(guān)的解析結(jié)果，大大提高了頻域物理光學(xué)電流積分的計(jì)算效率。針對(duì)反射面天線應(yīng)用，在局部坐標(biāo)系中給出了反射面天線的二次曲面近似。采用遠(yuǎn)區(qū)場匹配法將饋源輻射場展

3、開為頻域高斯波束，其傳播軸線上的磁場矢量通過二次插值求出。將每個(gè)頻域高斯波束照射下二次曲面的物理光學(xué)場疊加，可得饋源照射下二次曲面的總場。仿真了電大尺寸正饋、偏饋以及相控陣饋電有限掃描反射面天線的輻射性能。頻域繞射場的計(jì)算采用頻域等效邊緣電磁流法(FDEEC)。
　　接著，討論頻域高斯波束在NURBS曲面上頻域物理光學(xué)電流積分計(jì)算中的應(yīng)用。介紹了NURBS曲面的基本理論及其在建模中的優(yōu)點(diǎn)。采用分層積分法(DQM)計(jì)算頻域高斯波束照

4、射下NURBS曲面上頻域物理光學(xué)電流的積分，該方法具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確、與電尺寸無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了頻域物理光學(xué)電流積分的計(jì)算效率。計(jì)算了頻域高斯波束照射下NURBS曲面表示的電大尺寸理想導(dǎo)電平面、圓柱片、圓球片以及高階NURBS曲面的散射場，并討論了頻域高斯波束束腰寬度對(duì)散射場的影響。
　　其次，介紹時(shí)域高斯波束的基本參數(shù)，給出時(shí)域高斯波束照射下脈沖輻射天線階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)的計(jì)算方法。通過坐標(biāo)變換將時(shí)域高斯波束照射下脈沖輻射天線階

5、躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)時(shí)域物理光學(xué)電流的積分從直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系中，得到與尺寸無關(guān)的準(zhǔn)解析結(jié)果，該方法只需消耗極少的計(jì)算機(jī)資源就可以計(jì)算CST需要巨大內(nèi)存才能仿真的模型。采用自適應(yīng)時(shí)間插值算法提高脈沖響應(yīng)的計(jì)算精度。得到脈沖響應(yīng)后，與激勵(lì)信號(hào)相卷積可得單個(gè)時(shí)域高斯波束照射下脈沖輻射天線的瞬態(tài)響應(yīng)。通過在頻域匹配遠(yuǎn)區(qū)場，將饋源時(shí)域輻射場展開為時(shí)域高斯波束，將每個(gè)時(shí)域高斯波束照射下脈沖輻射天線的瞬態(tài)響應(yīng)疊加，可得饋源照射下脈沖輻射天線總的瞬

6、態(tài)響應(yīng)。時(shí)域繞射場的計(jì)算采用時(shí)域等效邊緣電磁流法(TDEEC)。
　　再次，介紹時(shí)域高斯波束在三角形剖分結(jié)構(gòu)上時(shí)域物理光學(xué)電流積分計(jì)算中的應(yīng)用。三角形剖分具有結(jié)構(gòu)簡單、能夠描述復(fù)雜模型等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算電磁學(xué)中。時(shí)域高斯波束照射下，剖分三角形上時(shí)域物理光學(xué)電流的二維積分可以簡化為一維積分，大大提高了時(shí)域物理光學(xué)電流積分的計(jì)算效率。提出了基于高斯波束傳播特性的z-buffer算法用于判斷物理光學(xué)的亮區(qū)和暗區(qū)。采用上述方法計(jì)算了時(shí)

7、域高斯波束照射下電大尺寸理想導(dǎo)電平面、菲涅爾區(qū)反射面天線、導(dǎo)彈模型以及飛機(jī)模型的瞬態(tài)響應(yīng)。
　　最后，介紹頻域高斯波束在無限大周期結(jié)構(gòu)輻射和散射問題分析中的應(yīng)用。將一維和二維無限大周期結(jié)構(gòu)的聚焦點(diǎn)從實(shí)空間解析延拓到復(fù)空間，實(shí)現(xiàn)一維和二維無限大周期結(jié)構(gòu)的高斯激勵(lì)。采用泊松求和公式將一維和二維無限大周期結(jié)構(gòu)單元輻射場的求和轉(zhuǎn)化為弗洛蓋(Floquet)模式的求和，對(duì)弗洛蓋模式的求和具有快速收斂的優(yōu)點(diǎn)，且弗洛蓋模式具有和頻域高斯波束類似