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超宽带天线频域和时域算法理论与应用研究

吴锋涛  
【摘要】: 本文基于UWB冲激雷达、电子战中导引头和干扰机的应用需要展开对UWB天线的研究。工程上研制出平面阿基米德螺旋天线、角锥螺旋天线、印刷对数周期天线、平面TEM喇叭天线、平面印刷渐变开槽天线、高功率功分器和高功率TEM喇叭天线。理论上结合研制UWB天线需要,分别研究了频域算法-矩量法(MOM)和多层快速多极子(MLFMM)和时域算法.时域有限差分法(FDTD)。对于以矩量法为基础的MLFMM,由于不完善,不通用,所以本文推导出MLFMM的数学表述和数值求解表达式,完善了MLFMM的数学理论。提出了MLFMM的高效求解方法,开发出电磁快速算法软件包,并用软件包仿真了金属球、介质球、导弹模型、F117隐身飞机,三维转台,抛物面天线和天线罩。研究了ILU和稀疏近似逆预条件算法的加速收敛性能。由于FDTD比较成熟,具有广泛的通用性,因此,本文以应用为主。 根据干扰机和导引头应用需要,从频域来研究平面阿基米德螺旋天线、锥台螺旋天线和印刷对数周期天线。采用矩量法和MLFMM来分析平面阿基米德螺旋天线、角锥螺旋天线和天线罩对天线性能的影响。对数周期天线采用FDTD分析,提出了一种高效快速的FDTD比相仿真算法。 根据无载波超宽带冲激雷达工程应用需要,本文从时域研究用于发射的平面TEM喇叭天线和用于接收的平面印刷天线,并运用FDTD来分析,提出了一种FDTD仿真UWB天线时域特性的算法。在外场测量单个天线和其阵列的时域方向图和时域扫描特性,阐述UWB天线时域方向图和普通窄带天线的不同点,采用能量方向图和峰值方向图来衡量天线的方向性。利用研制的UWB收发天线阵列组成冲激雷达外场实验系统,对低空隐身目标进行探测研究,并对实验数据的基本规律进行了分析。 由于高功率源比固态源在输出功率上大2-4个数量级,所以把高功率源应用于远距离目标探测具有诱人的前景。为了应用高功率源进行冲激雷达外场目标探测,研制出高功率功分器和高功率天线阵,对高功率源的外场目标探测做了初步探索研究,外场探测表明高功率脉冲源基本可用于目标探测,但需改善源的稳定度,才能相干积累,提高探测距离。


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