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MoM-UTD混合方法和高阶矩量法关键技术研究及其在电磁问题中的应用

刘子梁  
【摘要】: 复杂电大系统的电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)问题一直是国际上关注的热点问题之一。本文主要针对如何准确快速的处理复杂电大结构以及天线间的隔离度问题进行深入的研究,建立了比较完备的隔离度理论,并采用矩量法——一致性几何绕射理论(Method of Moments-Uniform Theory of Diffraction,MoM-UTD)混合方法结合阻抗矩阵插值技术,快速准确的分析了机载平台天线间的隔离度问题。在此基础上,围绕该如何处理复杂电大结构的目标,进一步探索了新的电磁计算方法——高阶矩量法(Higher-Order MoM),并且提出了高阶矩量法和UTD混合方法(Higher-Order MoM-UTD),以适应计算规模更大、精度更高、速度更快的要求。本文的主要工作和创新成果可以概括为: 1.深入研究了天线间隔离度的传统定义和实际测量方法,指出了目前天线间隔离度定义的缺陷以及测量值的不可靠性;在详细分析了天线的各种不同工作状态的基础上,系统的提出了天线间的任意隔离度、理想隔离度和实际隔离度几个新的定义;给出了一种简单实用的隔离度预测研究方法,即:根据天线间实际隔离度的定义,只需知道输入、输出驻波比指标而不必知道具体的匹配网络就能给出天线在有匹配网络的实际工作状态下隔离度的最好和最坏值,解决了在不知道匹配网络具体结构的情况下,很难预测实际工作状态下天线间隔离度的问题。 2.对机载平台采用平板、圆柱和圆锥建模,将MoM-UTD混合方法应用于机载平台天线间隔离度的分析。对天线使用矩量法脉冲基点选配进行分析,可以很方便的得到天线的端口特性,用UTD处理复杂电大的机载平台对天线的影响。有效克服了分析电大问题普遍遇到的计算机内存不足的瓶颈,很好地解决了实际工程问题。 3.射线寻迹是UTD方法的基础。本文对于机载平台的射线寻迹,一阶射线全部解析实现,主要的二阶射线解析实现,无论计算精度和速度都是传统的数值搜索的射线寻迹方法无法相比的。 4.计算时间问题一直倍受关注。为了减少用MoM-UTD混合方法分析机载平台天线间隔离度的频率特性的计算时间,本文将阻抗矩阵插值方法引入MoM-UTD混合方法,在整个频带内只计算有限几个采样频点的阻抗矩阵,其它频率的阻抗矩阵通过对矩阵元素的实部和虚部分别进行三次样条插值得到。插值技术的引入在保证了计算结果正确的基础上,大大减少了计算量,缩短了计算时间,使MoM-UTD混合方法能够更为快速而有效的分析机载平台天线间隔离度的频率特性。 5.建模是MoM计算中十分关键的一环,它直接关系到计算的准确性。本文通过对FEMAP生成的网格数据进行二次开发,提取得到了Higher-Order MoM所需的四边形网格,实现对任意模型的剖分。 6.针对高阶矩量法阻抗矩阵填充时间很长的问题,从阻抗矩阵元素本身的性质和积分计算过程入手,提出了应用阻抗矩阵对称性和积分表方法两种加快阻抗矩阵填充的手段。前者使计算矩阵元素的数目减少将近一半,后者则避免了大量的重复计算。这两种方法对于减少计算量,加快阻抗矩阵的填充速度,效果十分显著。 7.在MoM-UTD方法的基础上,提出了Higher-Order MoM-UTD混合方法并对之进行探索,取得了初步成功。


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