多尺度复杂平台上天线—天线罩系统电磁特性的一体化混合数值建模技术研究

Design of modern antenna systems usually requires that the effects of the radome and host platform on the electromagnetic (EM) radiation properties of the antennas should be taken into account in design procedure. Meanwhile, as a strong scattering source, the presence of antenna-radome structures can also significantly increase radar cross section of a specific platform. Apparently, accurate evaluation of these effects is of popular interests in both military and industrial sectors. Therefore, it is extremely important to develop efficient integrated numerical analysis methodologies in order to study the EM scattering and radiation properties of the "complicated platform mounted antenna-radome system" as a whole. From the computational electromagnetics (CEM) point of view, these complicated systems can be categorized as the multi-scale, composite, and electrically large structures. At present, most existing researches on the multi-scale problems are primarily focused on the analysis of EM scattering of perfectly electric conductors or purely dielectric objects. As a consequence, characterization of the EM scattering, especially the EM radiation of antenna-radome systems mounted on multi-scale platforms through integrated numerical simulation is not only a challenging problem in the CEM field, but also can find a wide range of applications in electronic engineerings. This project aims to develop an efficient multi-scale numerical model that is based on the hybrid integral equations, being in conjunction with the advanced fast solvers in CEM, the high-frequency approximation methods, and the parallel computing techniques, in order to meet the requirements of accurate prediction of the EM characteristics of the antenna-radome systems on complicated multi-scale platforms.

现代天线系统的设计通常需要将天线罩、载体平台等环境因素对天线本身辐射性能的影响考虑在内。而且，在军事应用中，作为强散射源的天线-天线罩系统对载体平台雷达散射截面特性的改变亦需要精确评估。所以，实现"复杂载体平台上天线-天线罩系统"电磁特性的一体化分析和设计就显得十分重要。从计算电磁学的角度来看，这类目标具有多尺度、复合结构、电大尺寸的显著特征。然而，到目前为止国内外有关多尺度结构电磁特性的研究还多限于纯导体或介质目标电磁散射的分析。因此，开展复杂平台上天线-天线罩系统这类典型多尺度复合结构的电磁散射尤其是辐射特性的一体化数值仿真技术的研究不仅有重要的学术意义，而且具有明显的工程应用价值。本项目试图建立基于混合积分方程的多尺度数值模型，结合现代电磁快速算法、高频近似方法以及并行计算技术，发展一套有效的并行混合算法，以满足复杂载体平台上天线-天线罩系统电磁特性精确和高效仿真分析的需求。

现代天线系统的设计通常需要将天线罩、载体平台等环境因素对天线本身辐射性能的影响考虑在内。而且，在军事应用中，作为强散射源的天线—天线罩系统对载体平台雷达散射截面特性的改变亦需要精确评估。因此，实现“复杂载体平台上天线—天线罩系统”电磁特性的一体化分析和设计就显得非常重要。本项目的主要研究内容为体—面混合积分方程对于大型复杂天线阵列的快速精确建模技术，天线罩—大型天线阵列特性的一体化快速建模技术，复杂平台上大型天线阵列的混合数值建模技术，以及相关的并行计算技术。取得的主要成果为：1、提出了一种新的改进型表面积分法（MSI）结合体—面积分方程法（VSIE）的快速混合数值方法(MSI-VSIE-MLFMA)，较好地解决了电大尺寸天线罩—大型阵列天线的一体化电磁分析问题 ，算法具有速度快、占用计算资源少、精度高的优点。2、提出了一种体—面混合积分方程结合多层快速多极子算法（MLFMA）以及大面片物理光学法（LEPO）的混合数值算法（VSIE-MLFMA-LEPO），克服了物理光学法（PO）与MLFMA结合时计算效率低下、精度低的难题，非常适用于复杂平台上的大型阵列天线电磁分析、考虑包括平台效应的天线阵列设计以及天线优化布局等问题。3、提出了一种稀疏近似逆预处理方法，有效地改善了MSI-VSIE-MLFMA算法对应的矩阵性态，提高了计算效率，节省了计算时间。4、首次利用矢量算术运算逻辑单元（VALU），结合OpenMP和MPI，实现了求解MSI-VSIE-MLFMA以及VSIE-MLFMA-LEPO的基于分布—共享内存方式的混合并行计算模型，具有并行效率高、成本低的优点。项目的研究过程中，对多个具有实际工程背景的天线罩—天线系统进行了仿真分析，取得了一系列的关键数据，对于推动天线罩—天线一体化分析与设计技术做出了一定贡献。