频率选择表面天线罩电磁散射特性的高效精确建模

The design of radomes has been payed much attentions with continuous enhancement of requirement of stealth performance of weapon system. The application of frequency selective surface for the design of radome can realize the RCS reduction of radar cabin under the condition of assuring antenna work situation, which has important engineering value. In the meanwhile, accurate control of scattering of radomes is also required. Traditional modeling method based on planar dielectric model is difficult for complex curvilinear radomes, numerical methods like the moment method with multilevel fast multipole algorithm, finite element with boundary integral also have to face huge computational cost and are very difficult to converge in iteration process. To solve the above problems, the project aims to study efficient, accurate modeling methods about FSS radome, provide solid theoretic basis for the design of radomes. The contents will include novel domain decomposition methods based on volume/surface integral equation and finite element method respectively. Further, study the way to improve the efficiency by designing new basis functions and using discontinuous Galerkin integral equation. To validate the scattering model and numerical methods, the comparison between computation and measurement of typical FSS radomes will be done. Finally, efficient numerical methods for complicated FSS radome will be developed.

随着对武器系统隐身性能要求的不断提高，天线罩设计越来越受到重视。将频率选择表面FSS技术应用于天线罩设计，可以在保证天线正常工作的前提下，实现雷达舱RCS减缩，具有重要工程意义。同时，也对天线罩散射特性精准把握提出了迫切需求。基于平面介质模型的传统建模方法难以应用到复杂曲面天线罩模型，诸如矩量法结合多层快速多极子方法、有限元边界积分等数值方法也面临计算量巨大，迭代难收敛的难题。对此，本项目针对频率选择表面天线罩，研究高效精确的电磁特性建模方法，为天线罩设计提供坚实的理论基础。项目围绕频率选择表面天线罩重点研究基于体面积分方程和有限元的新型区域分解方法。通过新型基函数设计和不连续伽略金积分方程方法来提升计算效率，通过对典型天线罩的计算与测试比对，验证散射模型和数值方法的准确性，最终形成可用于复杂频率选择表面天线罩分析和设计的高效数值分析方法。

现代战争中，飞行器的隐身是研究热点，频率选择表面天线罩通常被使用在战斗机的机头部位承担着雷达隐身和保护天线的作用，是当代隐身战机的重要组成部分；吸波材料和机身一体化是战机隐身的重要途径；超表面材料被设计用于操控电磁波性态以达到某种功能。复杂金属介质复合结构的高效电磁建模是亟需攻克和解决的难题。针对复杂金属介质复合结构的高效求解的研究有待提高，复杂薄层金属介质复合结构中含有厚度远小于波长的介质层，这类复合结构一般同时具有电大尺寸、多尺度和多材料特点，这种特点造成了数值建模的难点。多尺度问题会导致网格的严重变形致使矩阵病态难以收敛，而且介质过薄会导致网格的过度剖分和极度扭曲变形，造成未知量过大、快速算法难以使用和不必要的计算资源消耗严重等问题。本项目根据复杂薄层复合结构中薄介质体内的电磁场分布特征设计、改进并且简化低阶或高阶的基函数并将其应用到积分方程中，可大大减少未知量和计算资源消耗并能提高计算效率。另一方面，在原有的针对电大目标的快速方法的基础上研究了基于上述基函数的体面积分方程区域分解方法，有效地缓解了复杂薄层复合结构的多尺度特征带来的几何建模困难、计算效率低和收敛性差甚至难以收敛等问题。该区域分解方法可将复杂目标分解成若干子区域，使得难以一体化剖分电大复杂结构可以分区单独离散。将周期格林函数应用于前述研究中，以高效求解具有薄介质的周期结构。将最佳一致逼近（BUA）应用于VIE-SPV，以提高薄介质结构宽带电磁散射问题的计算效率。通过研究，最终形成了可高效求解频率选择表面、超表面材料等复杂薄层金属介质复合结构的数值分析工具。