基于并行FDTD的大型天線及陣列模擬與優(yōu)化研究.pdf

1、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

2、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

3、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)

4、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

5、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

6、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

7、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