MOT和MOD方法关键技术研究

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计算电磁学数值计算方法总体上可分为两大类:频域计算方法和时域计算方法。相比于频域方法,时域方法在计算瞬时、宽频带问题时具有很大优势。并且能够直接计算天线辐射、目标散射的时域电流、电场变化,物理意义直观,便于获取应用于实际工程设计的诸多有效数据。本文系统的研究了时域积分方程方法(Time Domain Integral Equation,TDIE)的时间步进(Marching-On-in-Time,MOT)和阶数步进(Marching-On-in-Degree,MOD)两种解法,实现了应用阶数步进方法计算线状结构散射电流。文中首先介绍了MOT方法的理论基础,阐述了细导线近似、一维模型空间剖分、阻抗系数计算和傅立叶变换等。推导了MOT方法计算公式并应用于线状模型平面电磁波入射情形散射问题的计算,结合傅立叶变换分析有限长导线电流频谱特性。之后对MOD方法展开深入研究,分析时间基函数——加权拉盖尔多项式特性,推导了多项式族的阶数正交性和可导性,并得出时域脉冲展开阶数的计算公式。讨论了计算总时间及脉冲参数改变对展开阶数的影响,并对几种常用时域激励脉冲波展开,确定在误差满足一定阈值范围要求时的最少展开阶数。加权拉盖尔多项式作为时间基函数致使阻抗矩阵元素的运算涉及十分复杂的二重积分,且被积函数的原函数难以解析计算,因此需要使用数值积分方法近似求解。文中介绍了牛顿—科茨积分公式和高斯求积公式基本理论,给出了能够用于计算的复合梯形公式、复合辛普森公式和高斯—勒让德求积公式。将公式推广到二重积分,通过算例验证几种求积公式的计算精度,并针对阶数步进方法阻抗矩阵元素的计算选定适用公式。最后对MOD方法进行系统研究。介绍了一维模型的空间离散单元、剖分方法和空间基函数特性。利用空间、时间基函数对时域电场积分方程展开,通过矩量法求解。对计算中涉及的伸缩因子选取、阻抗矩阵元素计算等进行细致介绍。针对细导线散射问题应用MOD方法计算并与MOT计算结果相比较,验证了结果正确性,实现了阶数步进方法的一维计算。
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