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阵列天线RCS快速精确计算

作　者: 孙犇
导　师: 何小祥
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 总场-散射场划分的有限元方法周期边界条件亚全域基函数阵列天线雷达散射截面 OpenMP
分类号: TN820.15
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文将周期边界条件应用于总场-散射场划分的有限元(TSFD-FEM)方法中,对阵列天线的电磁散射特性进行分析。首先,采用Mur吸收边界条件对计算区域进行截断,建立了涵盖总场和散射场区域的等价泛函,可以根据需要灵活地得到总场值和散射场值;采用体激励方法在整个总场区强加平面波,可减小入射波在散射场区的泄漏,提高计算精度。为了验证TSFD-FEM算法的有效性和精确性,本文计算了微带天线等复杂介质组成目标单元的雷达散射截面(RCS),并与商用软件的仿真结果进行对比。在此基础上,采用微带天线端口的阻抗加载方法,实现了对天线通道的模拟。为进一步对阵列天线的RCS进行精确分析,根据Floquet定理,采用周期边界条件对计算区域进行截断,计入了单元之间耦合。计算区域的建模和网格剖分均采用Hypermesh软件,从而保证了周期边界上的网格对称。基于上述周期边界条件的TSFD-FEM方法,借鉴亚全域基函数与有限元(SED-MoM/FEM)混合方法的思想,本文提出了PSED/FEM混合方法,对阵列天线等大规模有限周期结构目标的电磁散射特性进行分析。通过对阵列天线等一维有限周期结构目标的RCS进行计算,并与商用软件的仿真结果进行对比,验证了PSED/FEM混合方法的精确性和有效性。同时,采用TSFD-FEM分别提取OB边界上的总场或散射场作为SED基函数并进行对比,数值算例表明:提取散射场作为SED基函数的计算结果相对更为精确。为提高算法的计算效率,本文运用OpenMP并行技术对PSED/FEM混合方法进行并行优化。将TSFD-FEM中的矩阵求解模块和SED-MoM中的阻抗矩阵填充模块分别进行并行,仿真结果表明,经过这样的并行处理后,TSFD-FEM和SED-MoM在8CPU工作站上的最大加速比可分别达到4.51和6.72,从而实现了PSED/FEM的高效分析。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-16
  1.1 研究背景与意义  11-12
  1.2 阵列天线 RCS 的研究现状  12-15
  1.3 本文主要研究内容  15-16
第二章天线RCS 的 TSFD-FEM 方法分析  16-34
  2.1 引言  16
  2.2 TSFD-FEM 方法基本原理  16-24
    2.2.1 TSFD-FEM 泛函公式  16-18
    2.2.2 区域离散  18
    2.2.3 插值基函数的选取  18-19
    2.2.4 连接边界的耦合处理  19-20
    2.2.5 入射平面电磁波  20-21
    2.2.6 体激励方法强加入射波  21-22
    2.2.7 方程组的建立  22-24
  2.3 典型目标 RCS 计算  24-27
    2.3.1 介质涂覆立方体  24-25
    2.3.2 底面接地介质平板  25-26
    2.3.3 矩形贴片微带天线  26-27
  2.4 天线通道模拟  27-32
    2.4.1 天线阻抗加载基本原理  28-29
    2.4.2 阻抗加载的微带天线散射特性分析  29-32
  2.5 本章小结  32-34
第三章阵列天线RCS 的 PSED/FEM 方法分析  34-46
  3.1 引言  34
  3.2 PSED/FEM 方法基本原理  34-36
  3.3 周期边界条件基本理论  36-38
  3.4 一维阵列目标 RCS 计算  38-45
    3.4.1 阵列金属立方体  38-40
    3.4.2 阵列金属平板  40-42
    3.4.3 阵列介质平板  42-44
    3.4.4 阵列矩形贴片微带天线  44-45
  3.5 本章小结  45-46
第四章 PSED/FEM 方法精度分析  46-52
  4.1 引言  46
  4.2 基本原理  46
  4.3 总场、散射场基函数精度分析  46-51
    4.3.1 背景噪声  46-47
    4.3.2 金属目标  47-49
    4.3.3 介质目标  49-51
  4.4 本章小结  51-52
第五章 OPENMP 并行技术  52-63
  5.1 引言  52
  5.2 OPENMP 并行技术基本原理  52-55
    5.2.1 共享存储模型  52-53
    5.2.2 循环的并行化  53-55
  5.3 TSFD-FEM 并行加速  55-59
    5.3.1 算法流程分析  55-57
    5.3.2 数值算例结果  57-59
  5.4 SED-MOM 并行加速  59-62
    5.4.1 算法流程分析  59-61
    5.4.2 数值算例结果  61-62
  5.5 本章小结  62-63
第六章结论  63-65
  6.1 总结  63
  6.2 展望  63-65
参考文献  65-69
致谢  69-70
在学期间的研究成果及发表学术论文  70

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