CN110059422B - 频率选择表面曲面天线罩的电磁散射特性仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及频率选择表面曲面天线罩的电磁散射特性仿真方法，包括步骤有：(1)对频率选择表面天线罩按照曲率变化情况进行区域分解；(2)对每个区域的电磁特性分别利用子阵策略进行独立计算；(3)将区域叠加，得到频率选择表面天线罩上的初始散射场；(4)用区域分解矩量法计算各个区域间的耦合影响，更新每个区域的激励矢量，通过子阵策略计算出每个区域中新散射场；(5)对各个区域中新的散射场进行叠加，得到所述频率选择表面天线罩的散射总场。本发明解决了复杂外形大型频选天线罩运用全波方法分析时效率低下，甚至无法计算的问题，且降低了频率选择表面天线罩的设计风险和成本、缩短了其设计周期、提高了研究人员工作效率。

Description

频率选择表面曲面天线罩的电磁散射特性仿真方法
技术领域
本发明涉及计算机仿真技术领域，尤其涉及频率选择表面曲面天线罩的电磁散射特性仿真方法。
背景技术
作为天线的保护装置，天线罩广泛应用于军事、民用无线电领域，如飞机的机头雷达罩、地空、空空导引头天线罩、机翼电子战天线罩、机背卫通天线罩等，几乎有天线之处就会有天线罩的存在。频率选择表面(FSS,Frequency Selective Surfaces)是一种通过表面结构设计达到调控电磁波的传输与散射特性的空间滤波结构，将其应用于天线罩，在保护天线的同时可显著提高天线的隐身能力，具有重要价值。
目前在频率选择表面天线罩电磁特性仿真设计中，还未有一个可供设计使用的公式和理论，大部分的研究工作还是出于试验尝试的方法进行设计。对于一些大型频率选择表面天线罩结构，由于复杂外形以及对电磁散射特性的需求破坏了周期边界条件，数值分析方法与全波仿真软件的计算能力受到了极大挑战，在现有的计算机硬件条件下效率低下甚至无法计算。同时随着频率选择表面天线罩中包含的金属/介质层状结构更加复杂，进一步加剧了研究的困难。因此，开发高效高精度计算技术来评估频率选择表面天线罩的电磁特性，对降低频选罩的设计风险和成本、缩短其设计周期、提高研究人员工作效率等工程实践具有重要价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供了一种频率选择表面曲面天线罩的电磁散射特性仿真方法，解决了复杂外形大型频选天线罩运用全波方法分析时效率低下，甚至无法计算的问题，在保证计算精度的前提下大大提高了计算效率。
本发明提供的频率选择表面曲面天线罩的电磁散射特性仿真方法，其改进之处在于：所述方法包括如下步骤：
(1)对频率选择表面天线罩按照曲率变化情况进行区域分解；
(2)对每个区域的电磁特性分别利用子阵策略进行独立计算；
(3)将区域叠加，得到频率选择表面天线罩上的初始散射场；
(4)用区域分解矩量法计算各个区域间的耦合影响，更新每个区域的激励矢量，通过子阵策略计算出每个区域中新散射场；
(5)对各个区域中新的散射场进行叠加，得到所述频率选择表面天线罩的散射总场。
其中：步骤(1)包括：
计算曲面模型上各点的高斯曲率和平均曲率，以天线罩模型中部曲率最接近0的一点为基准点，沿天线罩轴向或母线向尖端和边缘两侧寻找，将高斯曲率和平均曲率沿天线罩轴向或母线变化小于1.2倍的区域划分为一个区域，再以划分出的区域边缘为新的基准点，继续沿天线罩轴向或母线向尖端和边缘两侧寻找，继续以变化小于1.2倍的区域划分，直至所述曲面全部划分完成。
其中：步骤(2)基于子阵策略将每个区域均划分为n个更小的子阵；
在每个区域内，采用区域分解矩量法对该区域内的n个子阵进行仿真计算，得到n个子阵中单元的散射场，通过等效计算，得到n个子阵的电流和磁流，利用子阵策略，整合得到该区域的散射场和该区域上的分解耦合的初始电流和磁流。
其中：步骤(5)中，当各个区域中新的散射场进行叠加，得到所述频率选择表面天线罩的散射总场，并与初始散射场的相对误差不满足收敛时，返回步骤(4)重新计算各个区域间的耦合影响，直至所述相对误差满足收敛。
其中：步骤(5)计算所述频率选择表面天线罩的散射总场时，将FSS阵列中所有单元的法向局部坐标系下的散射场转化为局部坐标系下的散射场，再将局部坐标系下的散射场转化为全局坐标系下的散射场，得到FSS阵列的总散射场为：
Figure BDA0002037467340000031
式中，θ为全局坐标俯仰角；φ为全局坐标方位角；n为单元编号；
Figure BDA0002037467340000032
为局部坐标系下的电场；j为单位虚数；k为电磁场波矢量；dn为局部坐标下单元编号n的位置矢量。
实施本发明的，具有以下有益效果：
对各个区域的电磁特性，分别利用子阵策略进行独立快速计算：在各个区域内表面可近似看作规则表面，引入子阵策略对其电磁特性进行计算，利用一小规模FSS的电磁特性来外推计算大规模目标FSS的电磁特性，以在保证计算精度的前提下大幅降低计算量，得到各个子区域上的初始电流和磁流；
本发明结合了子阵策略与区域分解矩量法两者的优势，解决了复杂外形大型频选天线罩运用全波方法分析时效率低下，甚至无法计算的问题，在保证计算精度的前提下，降低了频率选择表面天线罩的设计风险和成本、缩短了其设计周期、提高了研究人员工作效率。该方法合理可控，可以通过自由选择区域的个数和大小来调节建模精度与效率。本发明为分区域建模，适用于频选天线罩的电磁散射特性的并行仿真计算。
附图说明
图1是本发明实施例的流程示意图；
图2是本发明实施例的单元全局、法向局部和局部坐标系三种坐标系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了降低设计风险和成本浪费，需要借助高精度计算方法对复杂外形FSS天线罩的电磁特性进行模拟。目前，受限于计算机硬件资源，运用全波方法分析复杂外形大型FSS天线罩效率低下，甚至无法计算。针对上述问题，本发明提出频率选择表面曲面天线罩的电磁散射特性仿真方法，其流程图如图1所示，具体包括如下步骤：
(1)对频率选择表面天线罩按照曲率变化情况进行区域分解；其原则是在该区域内天线罩表面曲率变化较小，具体由用户设定。
计算曲面模型上各点的高斯曲率和平均曲率，可以以天线罩模型中部曲率最接近0的一点为基准点，沿天线罩轴向或母线向尖端和边缘两侧寻找，将高斯曲率和平均曲率沿天线罩轴向或母线变化小于1.2倍的区域划分为一个区域，然后以划分出的区域边缘为新的基准点，继续沿天线罩轴向或母线向尖端和边缘两侧寻找，并以同样的1.2倍变化准则划分出新的区域。本实施例通过统计曲面模型上各点的高斯曲率和平均曲率，设定区域划分所依据的曲率变化阈值，控制区域分解矩量法的计算精度和效率。
(2)对每个区域的电磁特性分别利用子阵策略进行独立计算；本实施例基于子阵策略将每个区域均划分为n个更小的子阵，在每个区域内，采用区域分解矩量法对该区域内的n个子阵进行仿真计算，得到n个子阵中单元的散射场，通过等效计算，得到n个子阵的电流和磁流，利用子阵策略，整合得到该区域的散射场和该区域上的分解耦合的初始电流和磁流。
(3)将区域叠加，得到频率选择表面天线罩上的初始散射场；
(4)用区域分解矩量法计算各个区域间的耦合影响，更新每个区域的激励矢量，通过子阵策略计算出每个区域中新散射场；
(5)对各个区域中新的散射场进行叠加，得到所述频率选择表面天线罩的散射总场，并与初始散射场的相对误差不满足收敛时，返回步骤(4)重新计算各个区域间的耦合影响，直至所述相对误差满足收敛，得到所述频率选择表面天线罩的散射总场。具体的，本实施例通过对子阵策略进行改进，通过精确控制曲面到平面坐标的变换，从法向局部坐标到局部坐标再到全局坐标的变换，获取单元阵子的散射特性，外推得到整体阵列的散射特性，使目标整体的区域分割和重构过程有法可依。
由于共形FSS中各单元轴向不同，各单元的RCS曲线形状类似，但方向图指向不同，仅在各自的法向局部坐标系下才可等效，因此除了采用区域分解矩量法依次计算得到FSS阵列中每个单元在各自法向局部坐标系下的散射场之外，还需要通过坐标变换来得到全局坐标系下的FSS单元及其阵列的散射场。
为了方便介绍，本实施例取共形FSS阵列中的第n个天线单元，建立如图2所示的坐标示意图。图中on是第n个FSS单元的相位中心，其在全局坐标系下的坐标为(xn,yn,zn)。以on为原点，建立该单元的法向局部坐标系
Figure BDA0002037467340000051
其中
Figure BDA0002037467340000052
轴的正方向为该单元放置的曲面局部外法线方向，
Figure BDA0002037467340000053
和
Figure BDA0002037467340000054
轴的指向以该单元放置在曲面上的具体方位进行定义。为了简化运算，以on为原点，再建立该单元的局部坐标系
Figure BDA0002037467340000055
其中
Figure BDA0002037467340000056
和
Figure BDA0002037467340000057
轴的正方向分别与全局坐标系的x、y和z轴的正方向相同。
对于FSS阵列而言，其总散射场等于各单元散射场的叠加：
Figure BDA0002037467340000058
式中，En(θ,φ)为第n个FSS单元的散射场，在全局坐标系下，其表示为：
Figure BDA0002037467340000059
在法向局部坐标系
Figure BDA00020374673400000510
下，其表示为：
Figure BDA0002037467340000061
在局部坐标系
Figure BDA0002037467340000062
下，其表示为：
Figure BDA0002037467340000063
且
Figure BDA0002037467340000064
将FSS阵列中所有单元的法向局部坐标系下的散射场转化为局部坐标系下的散射场，再将局部坐标系下的散射场转化为全局坐标系下的散射场，代入式(1)即可得FSS阵列的总散射场为：
Figure BDA0002037467340000065
上式即为共形FSS阵列散射场求解方法的一般表达式，若依次计算FSS阵列中每个单元在各自法向局部坐标系下的散射场，则由式(6)式计算所得的FSS阵列散射总场，完全考虑了单元间的互耦。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种频率选择表面曲面天线罩的电磁散射特性仿真方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
(1)对频率选择表面天线罩按照曲率变化情况进行区域分解；
(2)对每个区域的电磁特性分别利用子阵策略进行独立计算；
(3)将区域叠加，得到频率选择表面天线罩上的初始散射场；
(4)用区域分解矩量法计算各个区域间的耦合影响，更新每个区域的激励矢量，通过子阵策略计算出每个区域中新散射场；
(5)对各个区域中新的散射场进行叠加，得到所述频率选择表面天线罩的散射总场；
步骤(1)包括：
计算曲面模型上各点的高斯曲率和平均曲率，以天线罩模型中曲率最接近0的一点为基准点，沿天线罩轴向或母线向尖端和边缘两侧寻找，将高斯曲率和平均曲率沿天线罩轴向或母线变化小于1.2倍的区域划分为一个区域，再以划分出的区域边缘为新的基准点，继续沿天线罩轴向或母线向尖端和边缘两侧寻找，继续以变化小于1.2倍的区域划分，直至所述曲面全部划分完成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)基于子阵策略将每个区域均划分为n个更小的子阵；
在每个区域内，采用区域分解矩量法对该区域内的n个子阵进行仿真计算，得到n个子阵中单元的散射场，通过等效计算，得到n个子阵的电流和磁流，利用子阵策略，整合得到该区域的散射场和该区域上的分解耦合的初始电流和磁流。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(5)中，将各个区域中新的散射场进行叠加，得到所述频率选择表面天线罩的散射总场，并与初始散射场的相对误差不满足收敛时，返回步骤(4)重新计算各个区域间的耦合影响，直至所述相对误差满足收敛。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤(5)计算所述频率选择表面天线罩的散射总场时，将FSS阵列中所有单元的法向局部坐标系下的散射场转化为局部坐标系下的散射场，再将局部坐标系下的散射场转化为全局坐标系下的散射场，得到FSS阵列的总散射场为：
Figure FDA0003923508340000021
式中，θ为全局坐标俯仰角；φ为全局坐标方位角；n为单元编号；
Figure FDA0003923508340000022
为局部坐标系下的电场；j为单位虚数；k为电磁场波矢量；dn为局部坐标下单元编号n的位置矢量。
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