1.一种天线卫星平台多尺寸、多波段互耦天线的性能预估方法,其特征在于,步骤如下:
第1步,获取卫星模型网格文件,标记感兴趣的天线端口;
第2步,根据卫星模型网格文件信息,对卫星模型按照最细层组中离散边的数目进行八叉树分组,统计每一层中含有离散边的组数,索引子层组到父层组、以及父层组到子层组的关系;
第3步,建立电场积分方程以及与天线馈源对应的右边激励向量,其中离散的积分方程近作用部分采用矩量法,低频作用部分采用多层FFT方法,高频作用部分采用快速多极子方法;
第4步,采用近场区域构造多分辨稀疏近似逆预条件,多分辨基函数层采用对角预条件,广义RWG基函数层采用稀疏近似逆预条件;
第5步,通过BiCGStab迭代法求解方程的电流系数,并且根据电流系数求解第1步中所标记天线端口之间的互耦矩阵;
第2步中所述根据卫星模型网格文件信息,对卫星模型按照最细层组中离散边的数目进行八叉树分组,具体如下:
(2.1)首先用一个立方体包围卫星模型定义为第0层,然后立方体等分为八个小立方体定义为第1层,每个小立方体再继续等分为八个小立方体,直到第L层,使每个组中的平均离散边的个数不超过50;
(2.2)第l层所含有的组数为8l,每一层中的所有组按照组中心的位置依次编号为1到8l,其中1<l<L;
(2.3)第l-1层定义为第l层的父层组,相反第l层定义为第l-1层的子层组,由组i索引它的父层组ip的方法为首先把编号i转化成二进制序列,把该二进制序列去掉右边三位并且转化成十进制即为编号ip;
第3步所述建立电场积分方程以及与天线馈源对应的右边激励向量,其中离散的积分方程近作用部分采用矩量法,低频作用部分采用多层FFT方法,高频作用部分采用快速多极子方法,因此迭代过程中的矩阵矢量乘为其中为近作用部分采用矩量法部分,为低频多层FFT部分,为高频多层快速多极子方法部分,具体如下:
(3.1)把组j中的不规则离散网格上的基函数投影到组j中规则的笛卡尔网格点上;
组j中的1~n不规则离散网格上的基函数和基函数的散度,通过组j标量位的插值因子ΠjA和组j矢量位的插值因子ΠjD投影到组j中1~(M+1)3规则的笛卡尔网格点上
Π j A = ∫ s f 1 ( r ) f 2 ( r ) . . . f n ( r ) [ β 1 , β 2 ... β ( M + 1 ) 3 ] d s - - - ( 1 ) ]]>
Π j D = ∫ s ▿ · f 1 ( r ) ▿ · f 2 ( r ) . . . ▿ · f n ( r ) [ β 1 , β 2 ... β ( M + 1 ) 3 ] d s - - - ( 2 ) ]]>
式中,f1(r)…fn(r)为第i组中包含的n个基函数,M为对应的一维方向的插值点数目,为求散度,s为离散网格的面积,β为拉格朗日插值多项式;
在插值点u的三维形式的拉格朗日多项式表示为x轴、y轴和z轴插值多项式乘积的形式:
β u ( r → ) = β ( x ) β ( y ) β ( z ) - - - ( 3 ) ]]>
式中,x、y、z为插值点直角坐标系的坐标;
(3.2)把组j中规则的笛卡尔网格点上的基函数通过投影到组j的父层组jp中规则的笛卡尔网格点上:
Π j , j p = [ β 1 ( r j p ) , β 2 ( r j p ) ... β ( M + 1 ) 3 ( r j p ) ] - - - ( 4 ) ]]>
式中,为从组j插值到父层组jp的插值因子;
(3.3)把组jp中规则的笛卡尔网格点上的电势通过转移到组j的父层组ip中的规则笛卡尔网格点上,为父层组ip和父层组jp的规则网格点形成的格林函数矩阵;
(3.4)把组ip中规则的笛卡尔网格点上的电势通过插值到组i中规则的笛卡尔网格点上:
Π i , i p = [ β 1 ( r i p ) , β 2 ( r i p ) ... β ( M + 1 ) 3 ( r i p ) ] - - - ( 5 ) ]]>
式中,为从组i插值到父层组ip的插值因子;
(3.5)把组i中规则的笛卡尔网格点上的电势插值到组i中不规则离散网格上:
组i中1~(M+1)3规则的笛卡尔网格点上的电势插值通过组i标量位的插值因子ΠiA和组i矢量位的插值因子ΠiD插值到组i中1~n不规则离散网格上的基函数,组i和组j之间形成的阻抗矩阵Zij通过单层FFF表示为:
Z i j = k 0 2 Π i A G i j Π j A T - Π i D G i j Π j D T - - - ( 6 ) ]]>
式中,k0为自由空间波数,组j中规则的笛卡尔网格点和组i中规则的笛卡尔网格点形成的格林函数矩阵Gi,j为:
G i , j = g 1 , 1 g 1 , 2 ... g 1 , ( M + 1 ) 3 g 2 , 1 g 2 , 2 ... g 2 , ( M + 1 ) 3 ... ... ... ... g ( M + 1 ) 3 , 1 g ( M + 1 ) 3 , 2 ... g ( M + 1 ) 3 , ( M + 1 ) 3 - - - ( 7 ) ]]>
式中为组i和组j中插值点之间形成的自由空间格林函数;
(3.6)式(7)中组i和组j正规网格点之间的格林函数矩阵Gi,j为Toeplitz矩阵,矩阵矢量乘使用FFT来加速,整个矩阵方程迭代过程中的矩阵矢量乘经过单层FFT加速为:
Z I = Z N e a r M o M I + Z L o w _ f r e F F T I = Z N e a r M o m I + k 0 2 Π A · I F F T { F F T ( G ) · F F T ( Π A T I ) } - Π D · I F F T { F F T ( G ) · F F T ( Π D T I ) } - - - ( 8 ) ]]>
其中Z为整个矩量法离散阻抗矩阵,I待求解电流系数,为近作用部分采用矩量法部分,为低频多层FFT部分,FFT()为FFT正变换,IFFT()为FFT逆变换,ΠA为标量位的插值因子,ΠD为矢量位的插值因子,G为格林函数矩阵,k0为自由空间波数;
所以组i和组j之间形成阻抗矩阵通过两层FFT近似表示为:
Z i j = k 0 2 Π i A Π i , i p G i p , j p Π j , j p T Π j A T - Π i D Π i , i p G i p , j p Π j , j p T ( Π j D ) T - - - ( 9 ) ]]>
低频作用部分的矩阵矢量乘经过FFT加速为:
Z L o w _ f e r F F T I = Π i Π i , i p I F F T { F F T ( G i p , j p ) F F T ( Π j , j p T Π j T I ) } - Π i D Π i , i p I F F T { F F T ( G i p , j p ) F F T ( Π j , j p T Π D T I ) } - - - ( 10 ) ]]>
式中,Πi为组i的插值因子,Πj为组j的插值因子;
高频相互作用部分采用多层快速多极子方法加速,最终的快速积分方法加速的矩阵矢量乘为:
Z I = Z N e a r M o M I + Z L o w _ F r e F F T I + Z H i g h _ F r e M L F M A I = Z N e a r M o M I + Π A · I F F T { F F T ( G ) · F F T ( Π A T I ) } - Π D · I F F T { F F T ( G ) · F F T ( Π D T I ) } + Z h i g h M L F M A I - - - ( 11 ) ]]>
式中,为高频多层快速多极子方法部分;
第4步中所述采用近场作用区域构造多分辨稀疏近似逆预条件,多分辨基函数层采用对角预条件,广义RWG基函数层采用稀疏近似逆预条件,具体如下:
多分辨基函数为RWG基函数的线性组合,转换矩阵T的每一行的非零元素代表RWG基函数的线性组合系数:
T = T M R T g R W G - - - ( 12 ) ]]>
式中,TMR为RWG基函数到多分辨基函数的线性组合系数矩阵,TgRWG为RWG基函数到广义RWG基函数的线性组合系数矩阵,基函数通过转换矩阵T把构造预条件的矩阵变换为:
Zp=T(Znear)TT (12)
预条件矩阵Zp写成如下形式
Z p = Z n e a r | M R , M R Z n e a r | M R , g R W G Z n e a r | r R W G , M R Z n e a r | g R W G , g R W G - - - ( 13 ) ]]>
式中,Znear|MR,MR为MR基函数之间形成的阻抗矩阵,Znear|MR,gRWG和Znear|gRWG,MR为RWG基函数和gRWG基函数形成的阻抗矩阵,Znear|gRWG,gRWG为gRWG基函数之间形成的阻抗矩阵;
对应多分辨基函数部分采用对角预条件D|MR,MR:
D | M R , M R = 1 d i a g ( Z n e a r | M R , M R ) - - - ( 14 ) ]]>
对应广义RWG基函数部分采用稀疏近似逆预条件Zp|gRWG,gRWG,使下式取最小值:
| | Z e - Z p | g R W G , g R W G M | | F 2 = Σ j = 1 N g R W G | | e j - Z p | g R W G , g R W G m j | | 2 2 - - - ( 15 ) ]]>
式中,M为预条件矩阵,Ze为单位矩阵,ej为单位列向量,mj为M的列向量,||.||为二范数;
从而得到预条件矩阵方程ZMR-SAI为:
Z M R - S A I = D I Z p | M R , M R Z p | M R , g R W G Z p | g R W G , M R 0 D I + 0 0 0 Z p | g R W G , g R W G M - - - ( 16 ) ]]>
所述低频作用部分采用多层FFT方法,高频作用部分采用快速多极子方法,其中相互作用组之间距离小于0.3波长为低频作用部分,相互作用组之间距离大于0.3波长为高频作用部分。