复杂载体平台天线系统电磁特性分析的高效算法研究

Electromagnetic analysis of antennas on complex platform, such as ships, aircraft and satellites, is a difficult problem of computational electromagnetics. This is because it is a large-scale, multi-scale and complex medium problem at the same time. When using traditional methods to analyze electromagnetic characteristics of antennas on complex platform, huge computational resources are needed to achieve desired accuracy. Sometimes the desired accuracy even cannot be achieved. This project orients to the requirements of electromagnetic characteristics analyses of complex carrier platform antenna system, such as ships, aircraft and satellites. Starting from the basic theory of computational electromagnetism, based on the method of moments in the integral method, we explore the fast algorithm of electromagnetic field numerical method. Advanced parallel multi-level fast multiple algorithm, precondition methods, and generalized surface integral equations are used. Complex medium antenna, large-scale platform issues and multi-scale structure are three most important research direction of the project. The aim of the project is to create a set of efficient algorithms of complex carrier platform antenna system. New efficient algorithms developed for complex medium structure and multi-scale structure are main innovation points of the project.

现代舰船、飞机、卫星等复杂载体平台天线系统由于同时涉及电大、多尺度及复杂媒质等多个计算电磁学的难点问题，使用传统方法进行电磁特性分析，要获得理想的计算精度，通常需要消耗巨大的计算资源，对计算平台的硬件要求过高，有时甚至根本无法实现。本项目面向现代舰船、飞机及卫星等复杂载体平台天线系统，针对它们对电磁特性分析的具体应用需求，从计算电磁学的基本理论出发，基于积分类方法中的矩量法，积极探索电磁场数值方法的快速算法。综合应用先进的场分解技术、曲面高阶矢量叠层基函数技术、高阶球谐函数多层快速多极子技术、多步混合预条件技术、基于区域分解算法的广义面积分方程方法等。项目重点从复杂媒质天线、电大平台问题及多尺度结构等三个方面出发，目标形成一套用于分析复杂载体平台天线系统电磁特性的高效算法。项目在导体复杂媒质组合结构的快速算法及多尺度电大天线的快速算法等方面有所创新。

项目面向舰船、飞机及卫星等复杂载体平台天线系统的电磁特性分析，开展高效电磁场数值计算方法的相关研究。这类系统通常由金属介质组合构成，有的还存在各种复杂媒质，系统电尺寸通常很大，同时又包含有中小电尺寸结构，属于一类由复杂媒质组成的多尺度电大电磁系统，其电磁特性分析难度高，使用传统方法进行电磁特性分析，要获得理想的计算精度，通常需要消耗巨大的计算资源，对计算平台的硬件要求过高，有时甚至根本无法实现。. 项目针对电磁特性分析的具体应用需求，从计算电磁学的基本理论出发，基于积分类方法中的矩量法和多层快速多极子技术，重点从复杂媒质天线、电大平台问题及多尺度结构等三个系统特征出发，开展了高效电磁场数值计算方法的相关研究。项目通过引入场分解技术，构建了新型电磁流混合场积分方程，实现了对双各向同性介质和导体组合目标的快速计算，该方程可以获得对角元素占优的阻抗矩阵，在迭代求解时具有较快的迭代收敛速度；利用曲面高阶叠层矢量基函数求解积分方程，采用大尺寸曲面剖分单元直接减少了求解未知量，同时获得的矩阵方程具有更优良的收敛性态，矩阵迭代步数和求解时间进一步降低；研究了曲面高阶叠层矢量基函数的多层快速多极子技术，并在远场计算中引入了球谐函数，进一步降低了聚合因子和配置因子的内存消耗。充分考虑电磁系统的多尺度结构特点，研究了基于区域分解的广义面积分方程，改善了多尺度电磁问题离散阻抗矩阵的性态，进一步提高了迭代求解的计算效率。. 项目通过对上述算法的优化创新和有机融合，兼顾效率与精度的平衡，充分发挥各种方法的优越性，形成了一套适用于复杂载体平台天线系统的高效电磁场数值分析算法。