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曲面微带天线的电磁仿真技术研究
作 者: 袁家德
导 师: 顾长青
学 校: 南京航空航天大学
专 业: 通信与信息系统
关键词: 体面积分方程 矩量法 自适应修正特征基函数法 等效偶极矩法 各向异性介质 微带天线 电磁散射 反射系数 辐射方向图
分类号: O441
类 型: 博士论文
年 份: 2010年
下 载: 202次
引 用: 2次
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内容摘要
信息与电子技术的快速发展,使得军用和民用的无线通信系统对微带天线的性能提出了更高的要求,分析和设计高性能的曲面微带天线成为一项紧迫且具有重大理论意义和工程意义的课题。本论文以矩量法(MoM)这一数值计算工具为基础,着重围绕曲面微带天线的电磁仿真技术展开研究。作者的主要工作和研究成果可概括为:1.研究了基于电场体面积分方程(EVSIE)的自适应修正特征基函数法(Adaptively Modified Characteristic Basis Function Method, AMCBFM)。用AMCBFM计算了理想电导体(PEC)、介质目标和介质金属混合目标的电磁特性,分析了AMCBFM在内存需求和CPU计算时间上的优势。在用AMCBFM分析闭合PEC目标的电磁散射特性中,数值算例表明使用电磁场混合面积分方程可避免块间重叠的可能性。2.提出了基于电场体积分方程和SWG基函数的等效偶极矩法(Equivalent Dipole-moment Method, EDM)。在被四面体剖分的目标内部,把SWG基函数对应的体元对等效成一个偶极子模型,在目标表面,将边界面和相应的四面体元看成一个电偶极子模型,其中四面体看成电偶极子模型的一极,边界面看成电偶极子模型的另一极,求出电偶极矩产生的电磁场。当两个电偶极子模型之间的距离大于某一临界距离时,两四面体体元对之间的作用等效为两电偶极子模型的相互作用,极大的加快了阻抗矩阵的填充。该方法的另一优势在于对介质目标体边界的处理,由于这种处理方法包含了边界面,从而避免了复杂的边界条件处理。在此基础上,进一步提出了用于分析多层介质的等效偶极矩法。把EDM和AMCBFM有效混合使用,运用复合的EDM-AMCBFM分析了电大尺寸目标的电磁散射特性。3.研究了用等效偶极矩法分析电各向异性介质目标的电磁特性。建立了含介电常数为张量的电场体积分方程,推导了含介电常数为张量的电场体积分方程的离散过程,计算了多种形式各向异性介质目标的电磁散射特性。扩展了AMCBFM和EDM的应用领域,分别用AMCBFM、EDM和复合的EDM-AMCBFM分析了电各向异性介质及其敷涂目标的电磁散射特性。4.研究了任意形状曲面微带天线的实体建模和网格剖分方法,使用基于电场体面积分方程的EDM-AMCBFM仿真分析了有限平面微带天线、曲面微带天线、各向异性介质基片微带天线及微带天线阵列的电磁散射特性。通过直接在金属和介质交界面处施加电流的连续性条件,得出了金属面电流和介质体电流的约束关系,有效地减少了微带天线计算过程中需要求解的未知量数目,节省了CPU的计算时间和内存需求,明显改善了矩阵方程中系数矩阵的条件数,并通过数值算例验证了该方法可以和EDM-AMCBFM有效混合使用。5.建立了任意形状曲面微带天线的微带线侧馈和同轴线馈电两种模型,用基于电场体面积分方程的矩量法(EVSIE-MoM)和EDM-AMCBFM计算和分析了有限平面微带天线、曲面微带天线、各向异性介质微带天线、多层结构微带天线以及微带天线阵列等多种微带天线的辐射特性,验证了复合的EDM-AMCBFM在计算天线辐射特性方面的可靠性。在文章的最后,给出了进一步所需要做的工作。
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全文目录
摘要 4-6 Abstract 6-16 第一章 绪论 16-26 1.1 研究背景及意义 16-17 1.2 国内外研究现状 17-23 1.2.1 微带天线的分析模型 17-19 1.2.2 矩量法中分析微带天线的快速算法 19-21 1.2.3 曲面微带天线仿真技术的研究进展 21-23 1.3 论文的研究内容及作者的主要工作 23-26 1.3.1 本文的研究内容及写作安排 23-24 1.3.2 作者的主要创新点 24-26 第二章 AMCBFM分析金属和介质目标体的电磁散射 26-43 2.1 引言 26 2.2 矩量法求解金属和介质目标体的计算模型 26-32 2.2.1 矩量法积分方程 27-29 2.2.2 基函数和权函数的选取 29-32 2.3 自适应修正特征基函数法 32-35 2.4 AMCBFM计算金属和介质目标的RCS 35-39 2.4.1 介质金属混合目标阵列 35-36 2.4.2 微带天线阵列 36-37 2.4.3 各向同性介质目标 37-39 2.5 AMCBFM中闭合PEC目标体块间不重叠技术探讨 39-42 2.6 本章小结 42-43 第三章 等效偶极矩法 43-60 3.1 引言 43 3.2 等效偶极矩法的基本理论 43-50 3.2.1 一般电流源产生的电场和磁场表达式 43-45 3.2.2 电场面积分方程的等效偶极矩法 45-47 3.2.3 电场体积分方程的等效偶极矩法 47-50 3.3 等效偶极矩法计算效率的讨论 50-53 3.3.1 理想导体球 50-51 3.3.2 各向同性介质立方体 51 3.3.3 微带贴片天线 51-53 3.4 等效偶极矩法处理多层各向同性介质问题 53-55 3.4.1 多层各向同性介质目标的处理方法 53-54 3.4.2 数值算例 54-55 3.5 EDM-AMCBFM计算效率的讨论 55-58 3.6 本章小结 58-60 第四章 等效偶极矩方法分析电各向异性介质目标的电磁散射 60-75 4.1 引言 60-61 4.2 电各向异性介质目标 61-68 4.2.1 介质中体等效电流 61 4.2.2 电场体积分方程及其散射方法 61-66 4.2.3 数值结果 66-68 4.3 电各向异性介质敷涂理想导体目标 68-71 4.3.1 电场体面混合积分方程的建立 68-70 4.3.2 结果验证 70-71 4.4 EDM-AMCBFM分析电各向异性介质及其敷涂目标 71-73 4.4.1 介电常数为张量的等效偶极矩方法 71 4.4.2 数值结果 71-73 4.5 结论 73-75 第五章 曲面微带天线的电磁散射 75-88 5.1 引言 75-76 5.2 矩量法中曲面微带天线几何建模及网格离散 76-79 5.2.1 实体建模和四面体网格离散 76-77 5.2.2 由面到体的几何建模方法 77-79 5.3 微带天线的电磁散射 79-83 5.3.1 微带天线单元 79-81 5.3.2 微带天线阵列 81-83 5.4 电流连续性方程在理想导体表面与介质基片交界面处的应用 83-87 5.4.1 体面电流约束法 83-84 5.4.2 数值算例 84-87 5.5 本章小结 87-88 第六章 曲面微带天线的电磁辐射 88-108 6.1 引言 88 6.2 馈电模型 88-95 6.2.1 δ间隙电压源 89-90 6.2.2 微带线侧馈 90-91 6.2.3 同轴线馈电 91-95 6.3 有限接地平面微带天线的电磁辐射 95-99 6.3.1 单层基片微带天线 95-96 6.3.2 多层介质微带天线 96-98 6.3.3 二元微带天线阵列 98-99 6.4 曲面微带天线的电磁辐射 99-106 6.4.1 单层圆柱形微带天线 99-103 6.4.2 多层介质圆柱形微带天线 103-104 6.4.3 球面形微带天线 104-106 6.4.4 四单元圆柱形微带天线阵列 106 6.5 本章小结 106-108 第七章 全文总结 108-110 参考文献 110-122 致谢 122-123 在学期间的研究成果及发表的学术论文 123
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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 电磁学、电动力学 > 电磁学
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