随着通信、雷达、射电天文、电磁能应用等领域的迅速发展,其中的天线、微波前端、目标特性、电磁兼容等电磁工程的分析和设计要求也越来越高。实际电磁工程需要在更加复杂的应用环境中得到准确的分析和设计,这里的“复杂”性体现在以下几个方面:(1)实际电磁工程中越来越多的包含多尺度结构。为了适应高速飞行、空间环境、多功能平台等实际应用,简单单一的电磁结构已经无法满足正常工作的需要,包含多尺度结构的电磁元器件及系统更多地被用来满足新的工程需求。(2)复杂环境和结构中的非线性现象引发了电磁能的转换。实际工程中的应用环境和结构越来越复杂,其中不可避免地包含非线性材料和结构,会引发电磁能与不同形式的能量、以及自身在不同频率域上的相互转换。(3)现实世界中的电磁响应是具有统计特性的。由于自然环境中的随机变化、电磁结构的加工工艺、电磁信号源特性等因素,实际电磁工程中的电磁响应具有随机性,且其统计规律已经成为电磁设计必须给出的重要设计指标。针对复杂实际电磁工程分析和设计中遇到的以上问题,论文进行了如下研究:(1)系统研究了电磁工程中的多尺度问题的类型、定义和分析方法。针对结构中同时存在微观和宏观结构且难以在一个模型中离散剖分的电磁多尺度单一化计算问题,提出了多尺度等效简化分析方法。首先利用理论推导或者数值分析方法得到微观尺度结构的电磁特性,然后将其等效为电磁媒质特性或者边界条件带入宏观电磁结构中,从而简化整体电磁结构模型,完成多尺度问题的数值分析。含极薄的防雨涂层和防静电涂层的多层天线罩在飞行器雷达系统中应用广泛,其对于天线特性的影响是机载、弹载雷达设计的重要参数;可展开网状反射面是航天飞行器的关键技术,其特性设计是星载通信系统的重要内容。论文将多尺度等效简化方法应用于含极薄层的多层天线罩特性分析和网状反射面特性分析等工程中,推导了多层薄层边界条件并集成于HFSS软件中,讨论了网状反射面的广义谐振现象。针对包含系统级、设备级和板级电磁兼容的多尺度多层次分析问题,在工程上明确各个尺度问题的设计要求,以及各个尺度之间的耦合影响,最终完成最大尺度上工程问题的分析和设计。(2)研究了与电磁能产生相关的多物理场问题的特点,给出了场路结合的分析方法,将电磁波的产生源用非线性电路等效,而电路的输入和输出与电磁波频域分析方法中的激励量相联系。与原有的直接时域仿真方法相比较,场路结合方法将整个问题的分析分为相对独立的若干步,电磁场的求解和电路的求解分别进行,每一步的求解更为简单,而且其误差控制在独立的计算方法内使得整体仿真的精度得到提高。论文将其应用于空气放电辐射和金属结无源互调辐射分析的实际工程中,解决了含时变电阻边界条件的全波电磁仿真和微弱互调辐射电磁仿真的分析难题。(3)将统计电磁学分析方法应用于相控阵天线杂散辐射的分析中。相控阵天线的杂散辐射会造成环境电平在很宽频带内抬高,影响附近通信雷达等系统的正常工作。杂散信号具有很强的随机性,论文采用统计电磁学中的数值计算方法分析了舰船环境下相控阵天线杂散辐射造成的环境电平的统计特性。