复杂电磁问题的算法研究与软件实现

• 作 者: 李茁
• 机 构: 东南大学
• 出 处: 东南大学
• 发表日期: 2009年期
• 关键词: 左手媒质 矩量法 高频法 图形处理单元 计算电磁学 电磁特性 电磁散射

本文研究了计算电磁学中的矩量法和高频方法，并将其应用到复杂电磁问题的分析和计算中。一方面将矩量法应用于复杂左手媒质电磁特性的理论分析与探索，发现并验证了几种包含左手媒质的新型电磁结构所具有的新奇物理特性和潜在工程应用价值。另一方面，应用基于计算机图形学的高频方法对复杂电大尺寸目标的电磁散射问题进行了深入讨论与研究，并对太赫兹波段的电磁散射问题进行了探索。本文所做工作及主要研究成果如下：
（1）提出了一种金属栅板与左手介质板的复合结构，该结构能同时实现辐射功率增强、窄波束扫描和亚波长成像等功能。本文从理论上研究了此结构的物理特性，建立了相应的物理模型，并通过矩量法对其进行了数值仿真，最终验证了此结构确实可以有效地提高辐射功率、且能在一定角度范围内实现窄波束扫描和亚波长成像等功能。
（2）提出了一种填充左右手混合介质的三层介质波导结构，该结构可以实现高功率密度传输。本文推导了该波导的的导波模式方程，经研究发现如果左手媒质的电磁参数和厚度满足一定条件，就可以使波导的传输功率密度大大提高。最后通过矩量法对该导波结构进行了分析，从数值上验证了理论模型的正确性。
（3）提出了一种填充包含左手介质的小孔耦合波导结构，该结构可以实现高功率密度传输，并在此基础上又提出了一种新型的定向耦合器，在此定向耦合器中可以同时在主波导和副波导中实现双向定向传输。本文建立了这两种结构的物理模型，通过矩量法对其进行了分析与计算，从数值上验证了该理论模型的正确性。
（4）研究了应用高频方法对电大尺寸复杂金属目标RCS的计算问题，推导了PO+TW-ILDCs方法的计算公式，并提出了SBR+TW-ILDCs混合方法。利用这两种方法对笔形体等典型结构以及导弹、飞机等复杂目标的单/双站RCS进行了计算，计算结果与多层快速多极子MLFMA结果以及美国军方电磁软件XPATCH和FISC结果对比，符合很好。该方法有效提高了双站RCS精度，且通用性强，容易实现软件集成，并应用该方法对太赫兹波段的电磁散射问题进行了探索。
（5）对基于参数曲面模型复杂目标RCS计算的关键技术进行了研究，给出了一种从IGES文件自动提取目标几何与拓扑信息的方法，统一了三角网格数据模型与NURBS曲面模型，此外还研究了射线与NURBS曲面快速求交算法，为基于NURBS曲面的SBR方法打下了基础。