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，在遠距離通信、雷達偵測、深空探測以及電子目標打擊等研究領域，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計過程中，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算精度與計算效率。為此，本文以并行FDTD技術為基礎，針對具有電大尺寸結構的波束波導反射面天線及超寬帶陣列天線，研究其快速、準確

2、的模擬方法，以期縮短天線及陣列的設計周期，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方法及其關鍵技術，可以有效縮短FDTD方法的模擬時間。然后，針對實際工程應用中常出現(xiàn)的對稱結構天線輻射問題，提出在并行非均勻網(wǎng)格FDTD中采用對稱邊界條件，使網(wǎng)格量和計算時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，通過對比驗證了算法程序的準確性。最后，在曙光12核服務器上測試了非均勻網(wǎng)格FDTD程序的并行效率，結果顯示，程序并行效率超過了80％。
　　第二，實現(xiàn)了旋轉對稱FDTD與三維非均勻網(wǎng)格FDTD相結合的混合算法及JBORAO軟件編制。首先以并行旋轉對稱FDTD及混合優(yōu)化算法為基礎，編制了旋轉對稱型天線優(yōu)化軟件JBORAO，實現(xiàn)了圓錐喇叭天線的優(yōu)化設計及旋轉拋物面天線快速模擬。然后針對波束波導反射面天線，由于其具有電大尺寸結

4、構，全波模擬幾乎難以實現(xiàn)。為此，利用波束波導反射面天線的局部旋轉對稱特性，提出了旋轉對稱FDTD與三維非均勻網(wǎng)格FDTD相結合的混合算法。在保證具有全波模擬精度的同時，計算時間大幅度縮減。此外，采用并行技術，進一步加快計算速度。通過對波束波導反射面天線縮比模型的模擬，并與電磁軟件的結果進行對比，驗證了混合算法的準確性。最后，提出了混合算法與優(yōu)化算法相結合的優(yōu)化設計方案，對X波段的波束波導反射面天線進行了優(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域遠場特性的快速計算方法。以有源單元方向圖為基礎，提出了通過小型陣列時域遠場計算結果外推大型陣列峰值功率方向圖及能量方向圖的快速計算方法。首先以圓弧式變形TEM喇叭天線為例，采用5元直線陣的遠場外推11元直線陣的遠場。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，又能保證計算效率。此外，采用田口算法對11元線陣進行優(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)的遠場外推得到了121元平面陣(11×11)的遠場，驗證了方法的準確性，并計算了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的計算網(wǎng)格量與計算時間。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及地下目標電磁散射問題，驗證了方法的準確性。此外，基于天線輻射遠場的平面波近似，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，文中方法的計算速度明顯提升。最后，模擬了機載超寬帶天線陣列輻射場作用下的建