一种多尺度天线阵列的快速仿真分析方法技术

本发明专利技术公开了一种多尺度天线阵列的快速仿真分析方法。该方法为：首先在各阵元结构外建立等效面，利用基于等效原理的区域分解法求解阵元的辐射问题，得到等效入射电磁流与等效散射电磁流之间的关系，计算出等效算子S；然后计算两个阵元等效面相互作用的转移算子T，扩展到计算多个阵元之间的相互作用问题，得到求解多个等效面上等效辐射电磁流的具体方程；最后对电大尺寸等效面的等效算子S使用自适应交叉算法加速填充。本发明专利技术实现简单，鲁棒性好，减少了数据计算量，节约了迭代求解时间和阵列分析时间，提高了多尺度阵列天线电磁特性分析的效率和准确性。效率和准确性。效率和准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种多尺度天线阵列的快速仿真分析方法


[0001]本专利技术属于天线阵列快速仿真分析
，特别是一种多尺度天线阵列的快速仿真分析方法。

技术介绍

[0002]无线通信技术不断在发展，天线是通信系统中必要的一部分，通信技术要求的天线性能也在不断提高。对于目前的电磁问题，积分方程方法结合快速算法已经取得了巨大的成功，能够实现电大复杂目标的快速精确求解。然而，实际工程中的问题往往具有多尺度特性。对于电大光滑的结构可以采用较粗的均匀网格剖分，而电小的精细结构则必须采用很细的网格剖分。对于较粗的均匀网格部分，其网格尺寸和电磁波波长的量级相当，所以在这方面波动物理起主要作用。对于精细网格部分，其网格尺寸要远小于电磁波波长，所以在这方面电路物理起主要作用。由于这两种物理过程的本征值分布和本征值矢量差别很大，导致最终得到的阻抗矩阵是病态的，用传统的迭代方法求解很难收敛甚至不收敛。

技术实现思路

[0003]本专利技术公开了一种适用于各种多尺度大规模天线阵列的快速分析、方法简单、计算效率高、精确度高的天线阵列分析方法。
[0004]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种多尺度天线阵列的快速仿真分析方法，包括以下步骤：
[0005]步骤1、在各阵元结构外建立等效面，利用基于等效原理的区域分解法求解阵元的辐射问题，得到等效入射电磁流与等效散射电磁流之间的关系，计算出等效算子S；
[0006]步骤2、计算两个阵元等效面相互作用的转移算子T，扩展到计算多个阵元之间的相互作用问题，得到求解多个等效面上等效辐射电磁流的具体方程；
[0007]步骤2、对电大尺寸等效面的等效算子S使用自适应交叉算法加速填充。
[0008]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用自适应交叉算法，不受格林函数表达形式限制，实现简单，鲁棒性好；(2)利用阵列单元的重复性和格林函数的平移不变性，同一单元种类只需计算一次，减少了数据计算量；(3)对于精细结构利用等效面进行均匀剖分，改善了矩阵性态和迭代收敛效果，节约了迭代求解时间和阵列分析时间；(4)对于电大尺寸的结构进行矩阵压缩加速，提高了阵列分析的效率，实现了多尺度阵列天线电磁特性的高效精确分析。
附图说明
[0009]图1是本专利技术多尺度天线阵列快速仿真分析方法的流程示意图。
具体实施方式
[0010]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细描述。
[0011]等效原理又称惠更斯原理，是指一个包围波源的闭合面上各点的场可以当作二次波源向闭合面外再次辐射，闭合面内部或者外部任意一点的电磁场是由闭合面上的全部电磁场共同产生的。设全部的波源在闭合面S内或外，在无限远处作一个无限大的闭合面S
∞
，两个闭合面间为无源区，那么无源区内的任一点的电场和磁场可以由公式得到：
[0012][0013]其中闭合面上的等效电流电磁流G(r,r
′
)为自由空间格林函数，r
′
表示任意一点的场矢量；定义积分算子L、K：
[0014][0015]则可得电磁场与等效面电磁流的矩阵关系：
[0016][0017]传统的积分方程方法可以利用等效原理直接对目标表面进行几何建模和网格离散，并在目标表面上建立方程。对于实际的复杂目标，网格数目往往很多且不均匀，这就直接导致待求解的矩阵方程未知量巨大且很难迭代收敛。而等效原理算法则是将目标上的未知量转移到虚拟的闭合等效面上，由于等效面是规则平滑的，所以剖分网格也是均匀规则的，最后得到的矩阵方程不仅未知量少，而且性态好、收敛快，节约迭代求解时间和阵列分析时间，能够实现阵列天线电磁特性的快速仿真分析。
[0018]结合图1，本专利技术一种多尺度天线阵列的快速仿真分析方法，包括以下步骤：
[0019]步骤1、在各阵元结构外建立等效面，利用基于等效原理的区域分解法求解阵元的辐射问题，得到等效入射电磁流与等效散射电磁流之间的关系，计算出等效算子S，具体如下：
[0020]步骤1.1、天线阵元的辐射问题具体分为：(1)由外向内传播；(2)内部金属上散射作用；(3)由内向外传播。
[0021](1)由外到内，入射场E
inc
,H
inc
首先照射到等效面S上，在等效面上产生了等效入射电磁流，取代了等效面外部的源场，等效面上的等效入射电磁流在等效面内部激发出了最原始的入射电场和磁场，而在等效面外部的电场和磁场则变为零，这就是零场等效原理，可以由下式展示该过程：
[0022][0023](2)内部金属上散射作用，等效面内部上电磁流可以由矩量法来求解。
[0024](3)由内到外，使用内部目标表面的电磁流，求解等效面上的辐射电磁流，此时，等
效面上的辐射电磁流在等效面内部激发的是零场，在等效面外部激发出了原始的辐射电磁场，这也是零场等效原理。
[0025]步骤1.2、以上三个过程可以写成矩阵方程的形式，用RWG基函数来离散等效面上和内部目标上的电流和磁流。
[0026]内部目标上的电流J
a
可以离散为：
[0027][0028]其中，f
ai
(r)代表RWG基函数，j
ai
代表内部目标上的电流系数，Na表示剖分数。
[0029]步骤1.3、综合以上分析，可以得出利用等效原理求解单一目标辐射的总的矩阵方程为：
[0030][0031]其中，下标S表示等效面，和为等效入射电流和等效入射磁流，和为等效散射电流和等效入射磁流，表示等效面S上的法向向量，下标p表示在等效面内的与算子操作有关的物体，[L
pp
]‑1代表的是等效面内部目标上电流求解的过程，L和K为积分算子：
[0032][0033]其中G(r,r
′
)为自由空间格林函数，k0和η分别为自由空间波数和波阻抗。
[0034]从公式(6)可以看出，每个子域的未知量转移到了等效面上去了，每个子区域的信息被存储在S矩阵里面。
[0035]由以上该矩阵方程可以求解出最终等效面上的等效辐射电磁流，则等效面外部的辐射电磁场，就可以由等效面上的辐射电磁流所求得。
[0036]步骤2、计算两个阵元等效面相互作用的转移算子T，扩展到计算多个阵元之间的相互作用问题，得到求解多个等效面上等效辐射电磁流的具体方程；
[0037]步骤2.1、对于分析多尺度目标或者周期重复目标的电磁问题时，任意两个单一目标之间的作用，可以被等效面之间的相互作用所取代，先假设只有两个求解子区域，被两个等效面所包围，第一个等效面上的电磁流将会对第二个等效面产生辐射作用，从而将在第二个等效面上产生额外(附加)的入射电流和额外(附加)的入射磁流(这里的额外的入射电流和入射磁流代表的是：除去原始的入射电场和原始的入射磁场在等效面上产生的入射电流和入射磁流后，由第一个等效面的辐射作用所产生的额外的入射电流和入射磁流)，同理可得，第二个等效面上的电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多尺度天线阵列的快速仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在各阵元结构外建立等效面，利用基于等效原理的区域分解法求解阵元的辐射问题，得到等效入射电磁流与等效散射电磁流之间的关系，计算出等效算子S；步骤2、计算两个阵元等效面相互作用的转移算子T，扩展到计算多个阵元之间的相互作用问题，得到求解多个等效面上等效辐射电磁流的具体方程；步骤3、对电大尺寸等效面的等效算子S，使用自适应交叉算法加速填充。2.根据权利要求1所述多尺度天线阵列的快速仿真分析方法，其特征在于，步骤1所述在各阵元结构外建立等效面，利用基于等效原理的区域分解法求解阵元的辐射问题，得到等效入射电磁流与等效散射电磁流之间的关系，计算出等效算子S，具体如下：步骤1.1、在各阵元结构外建立等效面；步骤1.2、利用基于等效原理的区域分解法求解阵元的辐射问题，得到等效入射电磁流与等效散射电磁流之间的关系；步骤1.3、得出利用等效原理求解单一目标辐射的总的矩阵方程为：其中，下标S表示等效面，和为等效入射电流和等效入射磁流，和为等效散射电流和等效散射磁流，表示等效面S上的法向向量，下标p表示在等效面内的与算子操作有关的物体，[L
pp
]
‑1表示等效面内部目标上电流求解的过程；L和K为积分算子：其中G(r,r
′
)为自由空间格林函数，为梯度算子，k0和η分别为自由空间波数和波阻抗。3.根据权利要求2所述多尺度天线阵列的快速仿真分析方法，其特征在于，步骤2所述计算两个阵元等效面相互作用的转移算子T，扩展到计算多个阵元之间的相互作用问题，得到求解多个等效面上等效辐射电磁流的具体方程，具体如下：...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶诗飞，王意钊，王昊，李男，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：