基于快速多级子算法的舰载天线电磁兼容问题研究

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当今,大中型水面舰艇是拥有众多天线的复杂平台,其物理空间和电磁空间都非常狭小,电磁环境复杂,通信系统频率覆盖范围广,频率从几千赫兹到40GHz不等,使得舰载天线在工作时受到了很大的电磁干扰,极大的影响了水面舰艇作战性能的发挥,所以对舰载天线进行电磁兼容分析变得极其重要。运用单一的多层快速多极子算法(The Multilevel Fast Multipole Algorithm)计算舰载天线电磁兼容性往往需要很大的存储空间和计算时间。因此,本文在基于MLFMA的基础上,提出多MLFMA和物理光学法(Physical Optics Method)混合的方法来解决舰载天线的电磁兼容问题。首先分析了混合方法的算法组成,介绍了矩量法(Method of Moments)的基本思想理论,并建立电磁场表面积分方程,然后在此基础上介绍了MLFMA的基本原理和实现步骤。随后介绍了PO的基本思想,并进一步介绍了迭代物理光学法(Physical Optics Method)的基本原理和基本公式。由于在实际求解过程中所构造矩阵性态经常较差,导致迭代收敛慢或不收敛。为了较好的解决积分方程收敛性差的问题,对原混合算法中的低频算法MLFMA进行改进,本文提出了一种改进算法,改算法基于MLFMA技术并构造谱域两步预处理器结合广义最小留数法(The Generalized Minimum Residual Method)来加速矩阵矢量乘的求解,然后用改进的MLFMA-PO混合算法分析舰载天线的电磁兼容性。其次,本文从模型仿真方面对舰载天线电磁兼容性进行分析,应用FEKO软件对某大型驱逐舰进行电磁建模并进行网格划分,对天线辐射近场综合场强特性、方向图及天线间的耦合度进行数值仿真。分析舰载天线在不同参数条件下的辐射方向图和耦合强度,从而对舰载天线的电磁兼容性进行分析。最后,本文利用基于天线互耦矩阵特征值分解的算法对天线进行优化布局,并通过简单的电小尺寸目标对方法进行验证,做出合理性分析以及天线排布方案,将结果和实际情况进行对比,证明方案符合实际天线的排列原则,对舰船设计中舰载天线的布置安装有很大的参考价值。
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