基于ACA与MOM-PO算法的天线辐射特性获取方法

本发明属于电磁仿真，更进一步涉及一种天线辐射特性获取方法，可用于复杂电磁环境中，快速分析飞机、舰艇、坦克和导弹上承载的阵列天线性能。

背景技术：

1、近年来，随着电大尺寸载体平台的发展，对其加载阵列天线的要求越来越高，大功率、高增益是现代工程应用中阵列天线的普遍趋势，因此对于加载在此类电大尺寸平台附近的宽阵列天线辐射特性快速分析是必要的。在实际情况中，各种天线被安装在船舶、飞机、卫星和其他大型目标上，因此在分析天线特性时必须考虑平台的影响。矩量法-物理光学mom-po混合方法是一种高效的数值计算方法，能够准确地解决电磁辐射与散射问题。该方法将矩量法和泊松方程求解方法相结合，既能够考虑辐射问题中的高频电磁波，又能够分析散射问题中的复杂边界条件和介质特性。该方法在分析导体平台附近的天线时，将天线和导体平台分别视为一个区域，可以大大简化计算。但是，当矩量法mom区域的数量过大时，mom区域的自阻抗矩阵以及mom和物理光学po区域的耦合矩阵的内存需求和计算复杂度都急剧增加，这不利于快速分析天线的辐射特性。

2、李弘祖；郭立新；董春雷等人在2021年8月17日系统工程与电子技术期刊第11期“基于八叉树优化的mom-po/ptd混合算法分析目标电磁散射及辐射问题”中公开了一种电大尺寸载体平台上天线的辐射特性计算方法。其实现步骤是：将激励源附近、电尺寸较小、边缘和棱边较多的区域划分为mom区域，将电大尺寸平滑结构划分为po区；采用三角剖分法，对区域进行剖分；在剖分后的目标表面定义rwg基函数；利用ptd手段对目标区域的棱边绕射场开展计算；将八叉树和后向追踪算法应用于po区域面元的遮挡判断；通过迭代计算，得到mom区域电流系数，并计算出po区域电流系数；通过表面电流系数求解天线阵列的辐射特性。虽然，该方法可以精确计算电大尺寸平台附近的天线辐射特性，但是，该方法在计算各个节点的电流时由于基函数过多目标阻抗矩阵过大，矩阵填充时间太长，因而对计算机的内存要求过高，且迭代计算表面电流系数时所需时间过长，获取天线辐射特性效率低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于自适应交叉近似aca与矩量法-物理光学混合mom-po算法的天线辐射特性获取方法，以缩小目标阻抗矩阵，加速矩阵填充，减小对计算机的内存要求，缩短迭代计算表面电流系数时所需时间，提高获取天线辐射特性效率。

2、本发明的技术思路是，通过将阵列天线划分为矩量法mom区域，电大尺寸加载平台划分为物理光学po区域，使用自适应交叉近似方法aca加速填充mom区域的自阻抗矩阵以及mom和po区域的互阻抗矩阵，显著减少阻抗矩阵的填充时间以及降低内存需求；通过低秩矩阵加速矩阵向量乘进一步减少方程求解时间，提高获取天线辐射特性效率。

3、根据上述思路本发明的实现步骤包括如下：

4、(1)对电大尺寸平台和其附近的阵列天线进行区域划分，即将阵列天线划分为矩量法mom区域，将平台划分为物理光学po区域；

5、(2)对mom区域和po区域的目标表面进行三角形剖分，分别剖分为d1和d2个三角形面片，对剖分后每个三角形进行编号并标注每个三角形中每个顶点的坐标；

6、(3)将每个三角形面片以及与该三角形面片有公共边的三角形面片组成一个三角形面片对，并分别在mom区域的每个相邻的三角形面片对上定义rwg基函数fn(r)和在po区域的每个相邻的三角形面片对上定义rwg基函数fk(r)；

7、(4)利用rwg基函数将mom区域和po区域的目标表面电流密度进行展开，并用表面电流密度表示电场积分方程，再采用伽略金方法对该电场积分方程进行变换，得到矩阵方程：

8、zmomimom+zmom-poaimom＝vmom

9、其中，zmom表示mom区域自阻抗矩阵，imom表示mom区域未知电流系数，zmom-po表示mom-po区域互阻抗矩阵，a表示po区域修正系数矩阵，vmom表示mom区域激励矢量矩阵；

10、(5)利用八叉树算法对矩阵方程中的mom区域自阻抗矩阵zmom进行分组；

11、(6)将分组后的mom区域自阻抗矩阵zmom划分为近场矩阵块和远场矩阵块

12、

13、(7)利用传统的矩量法mom算法填充mom区域自阻抗矩阵的近场矩阵块利用自适应交叉近似aca法压缩mom区域自阻抗矩阵的远场矩阵块和矩阵方程中的mom-po区域互阻抗矩阵zmom-po；

14、(8)利用阵列天线馈电处激励源的电场计算mom区域激励矢量vmom；

15、(9)将mom区域的电流作为源来进行遮挡判断，并填充矩阵方程中的po修正系数矩阵a；

16、(10)将矩阵zmom、zmom-po、vmom、a带入矩阵方程，并用双共轭梯度bicg法求解出矩阵方程中的mom区域的表面电流系数imom；

17、(11)根据mom区域的表面电流系数imom和po修正系数矩阵a，计算得到po区域的表面电流系数ipo：

18、ipo＝aimom

19、(12)通过mom区域表面电流系数imom和po区域表面电流系数ipo求解得到天线的辐射特性。

20、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

21、1.本发明利用自适应交叉近似aca法压缩mom区域自阻抗矩阵的远场矩阵块和矩阵方程中的mom-po区域互阻抗矩阵zmom-po，可以加快矩阵的填充，大幅节省内存空间。

22、2.本发明将利用aca法压缩后的矩阵和zmom-po进行矩阵方程求解，可以减少矩阵方程求解的运算量，加快运算速度，减少对计算机内存的需求。

技术特征：

1.一种基于aca与mom-po算法的天线辐射特性获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中采用三角剖分法将mom区域和po区域的目标表面分别剖分为d1和d2个三角形面片，是按照剖分尺寸λc/8，将mom区域阵列天线表面剖分为d1个三角形面片；按照剖分尺寸λc/5，将po区域电大尺寸平台目标表面剖分为d2个三角形面片，并要确保任意两个三角形面片不相交或者恰好有一条公共边，其中λc表示工作频点处的波长。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中在每个相邻的三角形面片对上定义rwg基函数，是分别对mom区域和po区域的三角形面片对进行rwg基函数定义：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中利用rwg基函数将表面电流密度进行展开，并用表面电流密度表示电场积分方程，实现步骤包括如下：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中利用八叉树算法对矩阵方程中的mom区域自阻抗矩阵zmom进行分组，实现步骤包括如下：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(7)中利用传统的矩量法mom算法填充mom区域自阻抗矩阵的近场矩阵块是利用mom算法求解近场矩阵块中的元素zmn，完成对近场矩阵块的填充：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(7)中利用aca法压缩mom区域的自阻抗矩阵的远场矩阵块实现步骤包括如下：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(7)中利用aca法压缩mom-po区域的互阻抗矩阵zmom-po，实现步骤包括如下：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(9)中将mom区域的电流作为源进行遮挡判断，并填充矩阵方程中的po修正系数矩阵a，实现步骤包括如下：

技术总结
本发明公开了一种基于ACA与MoM‑PO算法的天线辐射特性获取方法，主要现有技术对计算机的内存要求过高和运算时间过长的问题，其实现方案为：对电大尺寸平台和其附近的阵列天线进行区域划分；采用三角剖分法对区域进行剖分；定义各区域的RWG基函数并采用伽略金方法将电场积分方程转化为矩阵方程；将矩阵方程中的MoM自阻抗矩阵划分为近场块和远场块；利用ACA压缩MoM自阻抗矩阵远场块和MoM‑PO互阻抗矩阵；填充激励矢量和PO修正系数矩阵；使用BICG法求解矩阵方程求解表面电流系数，得到天线阵列的辐射特性。本发明运算量少，求解矩阵方程的速度快，对计算机内存的需求小，可用于分析复杂电磁环境的阵列天线辐射特性。

技术研发人员：王兴,曾懿,徐宙,刘春恒,刘英
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15