面向多尺度目标瞬态/宽频带电磁特性的高效建模方法研究

Transient/wideband electromagnetic characteristics simulation of multi-scale targets is one of the hot issues in modern electronic information community. It exists widely in the fields of target characteristics and recognition, complex antenna system design, electromagnetic compatibility and so on. Due to the multi-scale characteristics of the target in geometric structure and material parameters, as well as the transient and wideband characteristics of the electromagnetic excitation source, traditional numerical methods are not only complicated in geometric modeling, but also computationally inefficient. In view of the above problems, the specific research contents of the project include: (1) establish a time-domain surface integral equation method based on mutiple-traces strategy for efficient analysis the composite conducting-dielectric targets with multi-scale characteristics of material parameters. (2) the time domain continuous/discontinuous Galerkin method is proposed to accurately and efficiently model targets with multi-scale characteristics of geometric structure.(3) the hybrid time domain plane wave and accelerated Cartesian expansion(PWTD-ACE) algorithm is proposed to analyze electromagnetic characteristics of multi-scale targets efficiently and stably. This project will provide a set of accurate and efficient numerical simulation methods and fast algorithm platforms for transient/wideband electromagnetic modeling of multi-scale targets, which has very important academic significance and application value.

多尺度目标的瞬态/宽频带电磁特性仿真是现代电子信息领域中迫切需要解决的热点问题之一，其广泛存在于目标特性与识别、复杂天线系统设计、电磁兼容等领域。由于目标在几何结构和材料参数上的多尺度特性以及电磁激励源的瞬态和宽频带特性，使得传统数值方法求解该问题时不仅几何建模繁琐困难，而且计算效率低下。针对上述难题，项目具体研究内容包括：(1)建立基于Mutiple-Traces策略的时域表面积分方程高效分析具有材料参数多尺度特性的金属介质混合目标；(2)构建时域连续/不连续伽辽金方法，实现对几何结构多尺度目标的精确高效建模剖分；(3)采用时域平面波-快速笛卡尔展开(PWTD-ACE)时域混合快速算法实现多尺度目标的快速稳定分析。本项目将为多尺度目标的瞬态/宽频带电磁建模提供一套精确高效的数值模拟方法和快速算法平台，具有非常重要的学术意义和应用价值。

随着制造工艺的不断提升，在隐身与反隐身、目标识别、复杂微波器件、大规模集成电路、电磁兼容与电磁干扰等领域，面临的多尺度结构带来的挑战也越来越多，迫切需要稳定、准确、快速地分析复杂多尺度结构的电磁特性。本项目针对复杂多尺度结构的瞬态/宽频带电磁散射和辐射问题，以时域连续/不连续伽辽金积分方程方法为基础，结合TSE-PWTD、ACA-ET-MOT等时域混合快速算法对多尺度结构作精确电磁建模与快速数值计算，并开发通用的并行电磁计算程序，具体研究内容如下：(1) 建立TD-EFIE-PMCHWT方程分析金属和介质混合目标瞬态电磁特性；(2)建立时域连续/不连续伽辽金算法分析几何结构多尺度问题；(3) 建立了PWTD和TSE-MOT的混合算法，在多层框架中的低层使用PWTD算法，高层使用TSE-MOT算法，在计算精度与资源消耗之间取得平衡；(4) 利用ACA-ET-MOT算法快速分析窄带瞬态电磁散射问题。本项目的研究为复杂多尺度结构的瞬态电磁问题的研究提供一套精确高效的数值模拟方法和软件平台，具有非常重要的学术和应用价值。. 在此基础之上，本项目针对特征模理论展开研究，提出了一种高效、精确的分析大规模有限周期阵列的特征模式的快速方法，将特征模理论的应用范围拓展到阵列问题，该方法可以结合优化算法实现电磁阵列结构的快速优化设计，其广泛应用于无线通信和雷达工程领域，如相控阵天线、反射阵列天线、频率选择表面和电磁超表面等；针对有限介质基板贴片天线结构，提出了一种新的基于EFIE-PMCHWT方程的广义特征值公式，选择外部积分算子的实部和虚部构造最终的加权矩阵，以连接特征电流的辐射功率，与其他基于SIE的方法相比，该方程可以有效地避免伪模态，不需要额外的后处理；针对MIMO天线的去耦合设计，提出了一种基于特征模式理论的MIMO天线中和线设计和基于特征模式理论的四种工作状态双端口方向图可重构MIMO天线设计。