阵列天线RCS减缩的机理、建模和仿真方法研究

阵列天线是飞行器上重要的散射源之一，其雷达散射截面（RCS）的分析计算比普通散射体更为复杂，近年来愈来愈受到重视。为减小飞行器雷达截面积，本项目研究阵列天线RCS的散射机理、高效高精度数值方法和优化技术，具体内容包括：（1）阵列天线的散射机理研究和RCS减缩技术的实现；（2）结合特征基函数区域分解技术的时域计算方法及相关关键技术，如特征基函数的选取、分解区域间的信息交换、稳定性条件、吸收边界条件、共形网格剖分以及近远场变换等；（3）借鉴有源单元方向图和阵中单元方向图基本思想，严格计入阵列环境和单元间互耦作用，将大型散射问题化为多个小问题的叠加；（4）采用组合单元的区域分解优化技术，实现低RCS阵列天线的快速、准确的优化设计。本项目的开展和深入研究对我国研发低RCS阵列天线具有重要的理论和实际意义。

天线是无线通信系统的重要组成部分，又是系统整体产生RCS主要贡献者，天线RCS的减缩对降低整体系统RCS有直接的和重要的影响。本项目研究了阵列天线的散射机理、天线单元RCS减缩、区域分解时域算法、有源单元方向图（AEP）的阵列辐射和散射建模、天线馈电网络以及高效优化技术等主要内容，并在其中的几个方面取得了重要的进展：（1）基于加权Laguerre正交多项式的时域有限差分（FDTD）算法的区域分解技术。Laguerre-FDTD法在时间域采用解析分析，具有无条件稳定的特性；在空间域采用差分算法。所提出的Laguerre-FDTD法区域分解技术在空间进行区域分解，生成的矩阵采用Schur定律求解，从而将一个大型稀疏阵分解为若干小型阵的叠加，极大地提高计算效率。如果将区域分解Laguerre-FDTD法在并行计算机上执行，可高效地分析计算电大尺寸天线阵列的散射特性。（2）随单元变化（EV）的有源单元因子（AEF）方法对阵列天线的散射特性进行建模分析。在AEF高效计算天线辐射的基础上提出了EV-AEF方法，该方法充分考虑了阵元互耦效应和阵列环境的影响，将大型平面一维或二维阵列问题转换为小型阵列问题的叠加，提高了计算效率，并解决受计算机硬件限制无法计算的电大问题。针对平面波正入射的情况，提取感应电流分布，用参考单元的AEF方向图数据进行叠加计算；对平面波斜入射的情况，分析感应电流分布周期与入射角角度的关系，确定提取子阵的单元数，再用子阵的AEF方向图数据进行叠加计算。（3）智能算法对低RCS天线的高效设计。在开槽、缺陷地等技术的基础上，采用遗传算法（GA）优化设计低RCS天线。用Matlab编写优化程序，通过Vbscribt 语言控制HFSS仿真计算，优化和仿真交叉进行直到得到最优解结构模型。进一步将禁忌搜索算法(TS)中描述个体特征信息的禁忌列表嵌入到 GA，限制不良个体参与仿真计算的概率，通过有效地减少对HFSS的调用来加快收敛。设计了多个低RCS天线，辐射性能和散射性能都达到了理想的结果，仿真和加工测试有力地验证了方案的准确性和实用性。本项目的深入研究和取得的成果对我国研发低RCS阵列天线具有重要的理论指导意义和工程参考价值。