全向宽带天线及天线罩电磁特性研究

aoso · 发表于 2008-4-28 18:43:16

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摘要
现代战争对高质量信息传递的依赖，对作为无线通信系统以及武器装备关键部件的
天线提出了越来越高的要求。一方面，跳扩频技术对天线提出了很高的带宽要求；另一
方面，自然条件以及战争状态要求天线必须具有高度的稳定性和可靠性，从而使天线
天线罩成为一个密不可分的系统。精确分析和设计这类复杂的电磁系统一直是人们非常
感兴趣、并迫切需要解决的问题。本文密切结合“十五”国防科技预研重点项目“软件
无线电天线”以及国防重点项目“天线/天线罩系统一体化分析”，着重围绕有限导体地
面上的宽带线天线的分析计算、大型天线/天线罩系统一体化研究等方面开展工作，作者
的主要工作和成果可概括为：
1.研究了一种快速精确计算有限尺寸圆形导体地面上套筒单极子天线的新方法。
建立了一种新的分析模型，并采用粗圆柱线天线快速精确计算模型和正弦插值基函数
将圆盘地面和套筒天线作为一个整体进行矩量法分析计算，研究了其驻波和辐射方向图
特性，并分析了导体地面尺寸变化对套筒单极子天线电特性的影响，为套筒天线的设计
提供了重要的参考依据。
2.研究了任意形状导体地面上宽带线天线的电特性。首先，从结构上将天线分为
面结构、细线结构以及线面结合处等三种类型，并分别对面结构选用三角形面元矢量基
函数，对细线结构选用三角形基函数，对线面结合处采用一种特殊的基函数，将导体地
面和天线作为整体进行建模和矩量法分析；其次，分别处理了多线段、多面元相连的电
流连续性以及在面元上加电压源馈电模型的问题，形成了通用地分析任意形状有限尺寸
导体地面上宽带线天线的方法；最后，用此方法分析了有限尺寸导体地面上的套筒单极
子天线和线栅型圆锥单极子天线的电特性。
3.研究了一种近年来发展起来的基于积分方程的快速算法。针对矩量法的应用局
限于低频区和谐振区这一问题，详细研究了一种针对积分方程的快速算法——自适应积
分方法(AIM)。结合体积分方程，详细研究了自适应积分方法的原理、应用过程及其计
算机内存需求和计算量，形成了适用于分析任意形状和结构介质目标电磁散射特性的基
于体积分方程的矩量法，且由于AIM方法的应用大幅度节约了矩量法的计算机内存占
用量并显著提高了计算速度。
4.研究了带罩天线的辐射方向图等电特性。将基于体积分方程的自适应积分方法
从散射问题扩展到辐射问题，用以精确计算任意形状天线罩对天线辐射特性的影响。结
合某国防预研项目，采用该方法详细分析了在任意形状和结构的天线罩影响下天线的方
–I向图变化及瞄准误差等特性。
5.研究了一种精确分析任意金属/介质混合目标电磁特性的新方法。首先，通过对
介质体采用体积分方程，对金属表面采用面积分方程，得到适用于分析任意结构、任意
介质特性的金属/介质混合目标的体/面混合积分方程，并用矩量法求解此积分方程；其
次，提出了一种改善体/面混合积分方程的矩量法阻抗矩阵特性的预处理方法，有效地提
高了迭代算法求解阻抗矩阵方程的收敛速度。与常用的预处理方法(不完全LU分解技术
ILUT)相比，该方法有以下优点：不需增加额外的计算机内存占用量；在内存量允许的
条件下，先应用本文方法再使用ILUT方法，可以以更少的内存占用量获得更好的收敛
特性；本文方法易于同自适应积分等快速算法相结合。
6.研究了自适应积分算法(AIM)在基于体/面混合积分方程的矩量法中的应用。
AIM方法大幅度减少了矩量法的内存需求并显著提高了其计算速度，使其可用于电尺寸
较大的金属/介质混合目标的电磁散射和辐射问题的分析。采用该方法研究了天线阵在加
上天线罩后的辐射特性。
关键词：宽频带线天线，套筒天线，圆锥天线，矩量法，自适应积分方法，天线/天线罩
系统，体/面混合积分方程，迭代法