时域积分方程方法的研究及其在电磁兼容中的应用

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高分辨率雷达、目标识别、超宽带无线通信等高新技术的发展,以及电磁脉冲弹、超大功率电磁脉冲武器等新概念电子战武器的应用,给时域电磁场数值仿真技术研究提出了巨大的挑战。本文系统地研究了时域积分方程中时间步进算法的加速技术,以及电场-电路-线缆一体化的混合求解器在电磁兼容中的应用。  本文的主要研究工作与贡献如下:  1.从频域等效偶极矩方法出发,对电偶极子辐射场表达式做傅里叶逆变换到时域,并应用于经典的时间步进(MOT)算法中。提出了时域等效偶极矩方法,由于避免了阻抗矩阵元素中包含格林函数的二重面积分,因此能够有效地加快MOT算法中阻抗矩阵的填充速度。但是,计算机内存需求方面和经典的MOT算法相同。  2.在频域快速偶极子方法(FDM)和时域等效偶极矩方法研究的基础上,将 FDM推广到时域,提出了基于MOT的时域快速偶极子方法。该方法将计算目标在空间上分组和时间上分段,通过聚集-转移-发散形式对远区场进行重构,实现了源电偶极子和场电偶极子之间的分离,将电偶极子之间的相互作用转换为组和组之间的相互作用。从而,加速了传统 MOT算法中的矩阵向量积操作,节省了计算机的内存消耗,计算复杂度从N2sNt降到N2/3sNt量级。为了进一步提高计算效率和降低内存消耗,采用多层分组的方案,提出了多层时域快速偶极子方法。比较了两种快速方法计算理想导体目标瞬态电磁散射特性的数值结果。  3.为了避免数值色散和边界条件的精确模拟,研究了基于MOT的多导体传输线求解器。通过在求解器中引入有限差分推迟模型(FDDM)技术,解决了求解器所存在的晚时不稳定问题,根据求解器的块Toeplitz矩阵特性,采用FFT技术对求解器进行了加速。提出的基于FDDM的多导体传输线求解器,不仅继承了MOT传输线求解器的优点,而且能够快速计算并对任意时间步长是稳定的。  4.研究了电场-电路-线缆一体化的混合求解器。运用时域积分方程方法,建立的电场求解器和线缆求解器分别用于外部电磁平台上线缆的耦合电流计算和线缆沿线的电压电流计算;运用修正节点法,建立的电路求解器用于计算传输线终端负载网络中集总电路元件的电压和电流;三种求解器之间的耦合是用电压受控源和电流受控源等方法精确引入,使用集成后的一体化混合求解器计算了外场激励下汽车、驾驶舱等复杂平台上屏蔽线缆终端的时域电压波形。
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