基于平面近场扫描的电磁辐射源重构方法及其应用研究

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本文主要对电磁兼容领域中的电磁辐射源定位和电磁辐射评估进行了研究和探索。为了实现电磁辐射源的定位,建立了一个表征接地板上的电流源与辐射近场之间关系的理论模型。进一步地,提出了一个基于数值格林函数的辐射源模型去重构复杂介质环境中的辐射源。为了加速辐射源的重构,一方面,一个只需要少量近场样本的稀疏求解器被用于快速求解已经建立的辐射源模型;另一方面,本文提出了一个自适应的采样方法去高效地收集辐射源的近场信息。求解辐射源模型得到的电流图准确地反映了真实电流的分布情况,该电流图可以用来定位辐射源并预测它们的辐射。具体的研究内容分为以下四个部分:首先,在传统偶极矩模型的启发下,本文提出了一个新的辐射源模型去表征电流源与它们的辐射场之间的关系。在提出的源模型中,根据流动的方向,物理电流首先被分解为水平电流和垂直电流。将水平电流和垂直电流所在的平面作为源平面。然后,在源平面上放置一些电偶极子去代替所有的电流。最后,使用表征位于接地板上的电流源与它们的辐射近场之间关系的半空间格林函数去建立辐射源模型。利用电流的空间稀疏性,一个稀疏求解器FOCUSS被用于求解辐射源模型,该求解器有效地减少了求解源模型所需要的近场样本的数目。数值实验的结果证实了提出的辐射源模型是有效且可靠的。其次,根据强辐射源附近的场变化很快的物理现象,本文提出了一个自适应采样方法去提高采样效率。首先,使用一组初始均匀采样的数据求解辐射源模型,得到一个粗糙的辐射源。其次,基于辐射源幅值的相似性,采用一个的区域增长方法对粗糙的辐射源进行分割。当辐射源被分割后,能够鉴定出多个强源点。再次,围绕这些强源点自适应地增加新的采样点。最后,自适应增加的采样和初始均匀采样的数据都被用于求解源模型。以上自适应采样的过程是持续进行的,直到所有强源点的坐标收敛为止。实验结果表明,相较于传统的采样方法,本文提出的方法采样效率更高,时间成本更低。再次,考虑到半空间格林函数无法准确地表征复杂介质中的场源关系,本文提出了一个基于数值格林函数的辐射源模型去重构复杂介质环境中的辐射源。不同于传统的分层介质格林函数,数值格林函数利用仿真工具直接计算得到介质中的场源关系。首先,在仿真软件中建立接地板和介质基板的模型(它们的尺寸和需要重构的目标相同)。然后,将源平面(辐射源所在的平面)离散成均匀的网格,在每个网格上依次放置一个单位电偶极子进行仿真得到辐射场信息。最后,按照场点和电偶极子源的位置关系排列所有的辐射场数据,建立基于数值格林函数的辐射源模型。进一步地,一个基于矩阵近似和体采样的自适应采样方法被用于减少数值格林函数构造过程中的仿真次数,加快辐射源模型的建立。最后,本文研究了近场测试方法中应用最广的平面近场扫描方法。前文中提到的辐射源模型都是由平面近场扫描的数据求解的,对于平面近场扫描技术的研究为这些辐射源模型的实际应用奠定了基础。首先,研究并掌握了经典的基于平面波谱展开的近-远场变换和口径场反演技术。通过这些技术,可以采集强方向性辐射体任意近场平面上的切向电场去计算该辐射体的远场方向图和口径场分布。然后,不同于通过大量仿真得到探头接收方向图的传统方法,本文提出了一个快速方法去计算探头的接收方向图。该快速方法只需要进行一次仿真,它有效地提高了探头接收方向图的计算效率。最后,使用计算的探头接收方向图去修正探头误差,该修正措施有效地控制了近场测试系统本身的误差,确保了近场测试数据的精度。本文系统地研究了电磁辐射源重构方法及其在工程中的应用。自适应采样方法和数值格林函数的提出加速了辐射源模型的求解,扩展了辐射源模型的实用价值和应用范围。这些研究内容为电磁辐射源重构方法在电磁兼容问题中的广泛应用提供了精度和效率保障。
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