介质导体目标电磁特性分析的有限元边界积分区域分解法

介质导体目标电磁特性分析的有限元边界积分区域分解法

论文摘要

计算电磁学发展至今,已成为了天线设计、电磁兼容分析等不可或缺的工具。有限元方法在处理几何结构复杂和介质属性复杂目标的电磁问题具有很大的优势,并得到了广泛应用。由于电大尺度的金属介质复合目标结构复杂,待求解未知量较多,传统的有限元方法处理此类问题时往往比较困难。而区域分解方法结合有限元边界积分方法是求解电大尺寸金属介质复合目标电磁特性的有效方法。区域分解方法利用“分而治之”的策略,将原问题分解为几个子区域的问题进行求解,子区之间用传输条件加以联系,使得分区后求解的问题与原问题相同。本文首先基于散射问题对有限元边界积分区域分解方法的实现过程及系统矩阵的推导做了详细的说明,并将多层快速多级子算法与边界积分方程结合,相关的计算实例说明了方法及程序的正确性。随后,探讨了基于该方法对天线辐射问题的研究,对有限元方法中两种常用的天线馈源的数值模拟模型进行了分析。探针馈源方式简单易于实现,但只适用于部分天线的模型,当电流方向的基板厚度增加时,计算结果的精度也会受到一定的影响。随后,对波端口馈源方式的数值模拟模型进行了分析,重点对同轴线馈电模型进行了研究和分析,并对系统矩阵的推导做了详细的说明。波端口馈源的模型较为复杂,编程实现相对来说较为困难,但其适用于大多数天线的馈电方式,具有一定的研究价值。基于两种馈源模型提供了两个计算实例,计算所得的天线的电路特性与辐射特性与商业软件吻合较好,证明了方法和程序的正确性。在实际的工程中,为了使天线免受外界环境的影响,会在天线系统外加上天线罩。天线罩在保护天线的同时,也会给天线的电性能带来一定的影响。基于此类问题,对天线罩的分类模型进行了研究和分析。由于传统的分区方式,会引入天线罩与天线系统之间的空气区域多余的未知量,故对区域分解的策略进行改进并利用有限元边界积分区域分解方法计算天线罩前后天线系统电性能的变化。数值算例与预期结果相符,证明了程序及方法的正确性。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究工作的背景与意义
  •   1.2 国内外研究历史与现状
  •   1.3 本文的主要贡献与创新
  •   1.4 本论文的结构安排
  • 第二章 有限元边界积分方法的基本原理
  •   2.1 有限元方程及边界积分方程的建立
  •     2.1.1 电磁学中的变分原理
  •     2.1.2 伽辽金方法
  •     2.1.3 有限元公式
  •     2.1.4 边界积分方程的建立
  •   2.2 有限元及边界积分公式的离散
  •     2.2.1 四面体单元棱边基函数
  •     2.2.2 边界积分公式的离散
  •   2.3 奇异性处理
  •   2.4 有限元边界积分方程的求解
  •     2.4.1 外观法
  •     2.4.2 内视法
  •   2.5 数值计算结果与分析
  •   2.6 本章总结
  • 第三章 有限元边界积分区域分解方法研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 区域分解方法概述
  •   3.3 有限元边界积分区域分解法理论及公式
  •     3.3.1 迹算子及电磁场物理量的函数空间
  •     3.3.2 有限元公式及边界积分公式
  •     3.3.3 系统方程的建立
  •   3.4 快速多级方法及多层快速多级子算法
  •     3.4.1 快速多级子方法的基本原理
  •     3.4.2 快速多级子方法的基本方程
  •     3.4.3 多层快速多级子算法
  •   3.5 计算实例
  •     3.5.1 均匀介质涂敷球的散射
  •     3.5.2 频率选择表面的散射
  •   3.6 本章小结
  • 第四章 天线馈源的模拟及分析
  •   4.1 引言
  •   4.2 电流探针源
  •   4.3 同轴线馈源
  •     4.3.1 混合边界条件
  •     4.3.2 系统矩阵方程的推导
  •   4.4 计算实例
  •     4.4.1 微带天线的辐射
  •     4.4.2 Vivaldi天线辐射特性的计算
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 带罩天线电磁特性的研究及分析
  •   5.1 引言
  •   5.2 天线罩的分类
  •     5.2.1 按天线罩的罩壁分类
  •     5.2.2 按天线罩的外形分类
  •   5.3 区域分解策略
  •   5.4 计算实例
  •   5.5 本章小结
  • 第六章 全文总结与展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间取得的成果
  • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 李晨光

    导师: 胡俊

    关键词: 有限元边界积分法,区域分解方法,天线馈源,天线罩

    来源: 电子科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 物理学

    单位: 电子科技大学

    分类号: O441

    总页数: 76

    文件大小: 2560K

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