目标散射精确分析及微带天线RCS控制技术研究

【摘要】：本文针对天线RCS计算方法和机载天线RCS计算两个研究方向,以目标的电磁散射计算和天线隐身技术为研究对象,分别针对电大尺寸目标散射的精确快速计算和微带天线RCS预估和减缩方法进行了研究。取得的成果归纳如下: 1.阵列天线RCS计算方法研究。在基本电磁散射计算的基础上,应用了基于矩量法的快速算法—综合函数矩量法(SBF)来计算阵列天线的散射问题。综合函数矩量法解决了传统矩量法由于计算机硬件系统的限制,对于精确求解阵列天线散射存在的内存和速度两方面问题。该方法首先对阵列天线进行模型分块,在模型的每一分块上进行三角面片的网格剖分,并求出每一块上的综合基函数—RWG基函数的线性叠加。综合基函数的获得使计算未知数大幅度减少,从而减少了内存占用和提高运算速度。 2.自适应积分(AIM)精确分析电大尺寸目标的散射。详细推导了基于矩量法的另一种快速算法—自适应积分(AIM),并介绍了整个算法流程的关键问题。利用该方法加速求解了电大尺寸目标的散射分析速度并降低储存量,从而提高了现有计算机硬件条件对电大尺寸问题的处理规模和能力。在矩阵与矢量相乘时,采用双共轭梯度法(BICG)改进了求解矩阵方程的方式,进一步提高了程序的运算速度。 3.电大尺寸目标散射的自适应积分并行计算。为了进一步提高求解问题的规模,可对自适应积分算法采用并行计算技术。并行计算的关键点是针对自适应积分的具体并行化过程,包括对阻抗矩阵填充和双共轭梯度迭代求解部分进行并行处理,以达到各进程的高并行效率和负载均衡,使求解规模扩大的同时也提高了计算速度。论文分析了电大尺寸的散射算例,计算结果表明了自适应积分并行计算的优越性。 4.微带印刷振子天线的散射分析。对于天线隐身技术研究的重点内容,首先引入一种包含馈电结构的微带印刷振子天线散射分析方法。主要目的是用来分离带有馈电结构的微带印刷振子天线的结构模式项散射和天线模式项散射。利用在参考面处设置开路和短路,可以计算在任意负载情况下的结构模式项散射和天线模式项散射。最终分离了任意负载下微带印刷振子天线的散射,明确了散射的根本来源,为微带印刷振子天线的RCS减缩提供理论基础。 5.微带印刷振子天线及其阵列RCS减缩研究。研究重点在于微带印刷振子天线及其阵列的宽带化和低散射特性。首先分析了基本天线单元的辐射和散射特性,针对基本天线单元的带宽缺陷提出了用PBG结构来改善其带宽性能,实现了单元的宽带化。其次,根据基本单元天线的散射特性,提出了在地板上采用平面PBG结构来对天线单元进行RCS减缩。最后设计的4×2宽带印刷振子阵列天线既拥有良好的辐射性能,又具有低RCS特性,对微带印刷振子天线的RCS减缩研究具有重要的意义。 6.微带贴片天线RCS减缩方法研究。主要是针对微带贴片天线及其阵列的RCS减缩研究。首先引入微带贴片天线开槽方式对单元进行RCS减缩,并详细讨论其散射减缩的基本原理。其次引入贴片阵列天线散射减缩的新方法——贴片天线单元渐变开槽方式。通过对不同的单元开不同尺寸的槽,在等幅度馈电的情况下实现远区辐射场的低副瓣特性。该方法不仅实现了远区辐射场的低副瓣,而且又兼顾了结构模式项散射场的RCS减缩,从而有效的实现了阵列天线的低RCS特性。最后在理论推导的基础上,设计出1×9贴片阵列天线,实验证明了该方法的正确性和实用性。