本文選題：時(shí)域有限差分法 + 非均勻網(wǎng)格�。� 參考：《西南交通大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：一直以來,在遠(yuǎn)距離通信、雷達(dá)偵測、深空探測以及電子目標(biāo)打擊等研究領(lǐng)域,往往都需要采用具有高增益、定向性能好的天線。為了滿足上述要求,工程上一般采用大口徑的反射面天線或者大型陣列天線,這必將導(dǎo)致天線的電尺寸急劇增大。在大型反射面天線及陣列天線的模擬與設(shè)計(jì)過程中,傳統(tǒng)的高頻方法、全波方法、陣列綜合方法往往無法兼顧計(jì)算精度與計(jì)算效率。為此,本文以并行FDTD技術(shù)為基礎(chǔ),針對具有電大尺寸結(jié)構(gòu)的波束波導(dǎo)反射面天線及超寬帶陣列天線,研究其快速、準(zhǔn)確的模擬方法,以期縮短天線及陣列的設(shè)計(jì)周期,降低制造成本。本文主要研究工作如下:第一,為了解決電大尺寸天線及陣列在全波模擬過程中耗時(shí)長、占用內(nèi)存大的問題,首先研究了并行非均勻網(wǎng)格FDTD方法及其關(guān)鍵技術(shù),可以有效縮短FDTD方法的模擬時(shí)間。然后,針對實(shí)際工程應(yīng)用中常出現(xiàn)的對稱結(jié)構(gòu)天線輻射問題,提出在并行非均勻網(wǎng)格FDTD中采用對稱邊界條件,使網(wǎng)格量和計(jì)算時(shí)間縮減為原來的一半。采用該并行算法模擬了圓弧式變形TEM喇叭天線及微帶反射陣天線,通過對比驗(yàn)證了算法程序的準(zhǔn)確性。最后,在曙光12核服務(wù)器上測試了非均勻網(wǎng)格FDTD程序的并行效率,結(jié)果顯示,程序并行效率超過了 80%。第二,實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)對稱FDTD與三維非均勻網(wǎng)格FDTD相結(jié)合的混合算法及JBORAO軟件編制。首先以并行旋轉(zhuǎn)對稱FDTD及混合優(yōu)化算法為基礎(chǔ),編制了旋轉(zhuǎn)對稱型天線優(yōu)化軟件JBORAO,實(shí)現(xiàn)了圓錐喇叭天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)及旋轉(zhuǎn)拋物面天線快速模擬。然后針對波束波導(dǎo)反射面天線,由于其具有電大尺寸結(jié)構(gòu),全波模擬幾乎難以實(shí)現(xiàn)。為此,利用波束波導(dǎo)反射面天線的局部旋轉(zhuǎn)對稱特性,提出了旋轉(zhuǎn)對稱FDTD與三維非均勻網(wǎng)格FDTD相結(jié)合的混合算法。在保證具有全波模擬精度的同時(shí),計(jì)算時(shí)間大幅度縮減。此外,采用并行技術(shù),進(jìn)一步加快計(jì)算速度。通過對波束波導(dǎo)反射面天線縮比模型的模擬,并與電磁軟件的結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了混合算法的準(zhǔn)確性。最后,提出了混合算法與優(yōu)化算法相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,對X波段的波束波導(dǎo)反射面天線進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化后的天線增益明顯提升,副瓣電平也有所降低。第三,研究了超寬帶脈沖天線陣列時(shí)域遠(yuǎn)場特性的快速計(jì)算方法。以有源單元方向圖為基礎(chǔ),提出了通過小型陣列時(shí)域遠(yuǎn)場計(jì)算結(jié)果外推大型陣列峰值功率方向圖及能量方向圖的快速計(jì)算方法。首先以圓弧式變形TEM喇叭天線為例,采用5元直線陣的遠(yuǎn)場外推11元直線陣的遠(yuǎn)場。通過與方向圖乘積法及全波方法的對比,證明本文方法既能考慮互耦影響,又能保證計(jì)算效率。此外,采用田口算法對11元線陣進(jìn)行優(yōu)化,降低了陣列的副瓣電平。然后研究了平面陣的外推方法,通過25元平面陣(5×5)的遠(yuǎn)場外推得到了 121元平面陣(11 × 11)的遠(yuǎn)場,驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性,并計(jì)算了 450元平面陣(15 × 30)的峰值功率方向圖及能量方向圖。最后,提出了將陣列外推方法與優(yōu)化算法相結(jié)合的研究方案,分析了饋電不同步以及單元失效等不穩(wěn)定因素對陣列輻射性能帶來的最壞影響。第四,研究了超寬帶天線輻射場對近地面目標(biāo)的電磁作用。首先,提出了非均勻網(wǎng)格離散的半空間FDTD方法。通過對一維修正麥克斯韋方程進(jìn)行非均勻網(wǎng)格離散,在包含層狀地面的半空間電磁問題中引入平面波源,減少了半空間FDTD的計(jì)算網(wǎng)格量與計(jì)算時(shí)間。然后,采用該方法模擬了高斯脈沖平面波作用下的地表目標(biāo)及地下目標(biāo)電磁散射問題,驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。此外,基于天線輻射遠(yuǎn)場的平面波近似,模擬并分析了圓弧式變形TEM喇叭天線輻射場作用下的地雷電磁散射及地面上示波器機(jī)箱電磁耦合問題。與均勻網(wǎng)格半空間FDTD相比,文中方法的計(jì)算速度明顯提升。最后,模擬了機(jī)載超寬帶天線陣列輻射場作用下的建筑物電磁耦合問題。
[Abstract]:In order to meet the above requirements , a hybrid algorithm with high gain and good directional performance is often used in the research fields such as long distance communication , radar detection , deep space detection and electronic target attack . In this paper , a method for calculating the peak power direction and energy direction of a large - band antenna array is presented .

【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN820

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1821021