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时域有限差分法在天线计算中的理论和应用研究

尹家贤  
【摘要】: 本文研究内容主要有二个方面:FDTD用于天线计算理论研究和FDTD在天线计算中的应用研究。 在FDTD用于天线计算理论研究中本文重点研究了激励源设置问题,比较了现有的各种激励源设置方式的优缺点以及它们的适用范围,在此基础上,提出一种新的激励源设置方法,并将其推广到微带线馈电、波导馈电、同轴线馈电等天线的通用馈电方式。此种激励设置方式只增加很少的计算机开销,就可以完全模拟各种类型天线的馈电方式,并有完全的时域波形保真性。 在理论部分,本文从电磁场的等效原理出发,系统、详尽地论述了频域和时域近远场变换的基本思想,在时域近远场变换中采用实时的变换方法,即每进行一个时间步的迭代,就计算一次等效面上该时间步的切向电流和切向磁流对远场各方向的贡献,这样就使时域近远场变换不需要储存等效面上每一个时间步的切向电流和切向磁流,大大减小由于近远场变换而增加的计算机内存需要量。 在前面理论的基础上,将FDTD用于振子天线、微带天线、对数周期天线、电阻加载振子天线等各种天线的计算中,对各种不同类型天线计算中所遇到的特殊问题进行了详细的讨论,并分析各种开放场传输线如微带线、平行双线等横向场分布,讨论了入射网格横向截断区域的大小对计算结果的影响。在对数周期天线的分析中,首次引入了对角线场对称的概念,使得计算区域减小一半;在圆极化微带天线的计算中,详尽地讨论了介质截断的大小对天线性能的影响。在毫米波抛物面天线的分析计算中,把FDTD与物理光学法结合起来,FDTD用于具有精细结构的馈源及馈电波导一体计算,得到馈源的幅度和相位方向图,以此为依据调整馈源结构,使馈源的幅度和相位方向图为最佳状态。在此基础上运用物理光学法求得抛物面天线的辐射场特性。所有的这些应用例子都具有重要的工程应用价值。


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