[发明专利]一种应用于仿真FSS结构的散射场求解方法

说明书

本发明公开了一种应用于仿真FSS结构的散射场求解方法，与传统的三角形‑四面体和RWG‑SWG基函数的VSIE方法去进行散射场求解相比，本发明的方法解决了频率偏移问题，并且可以大幅度减少未知量数目和计算的内存开销，同时求解效率更高。本发明可以更加高效、准确地指导FSS结构的设计，有利于大规模阵列的仿真模拟，具有实际的工程应用价值。

技术领域

本发明涉及电磁学领域，具体涉及一种应用于仿真FSS结构的散射场求解方法。

背景技术

频率选择表面(FSS)在隐身技术中使用的非常广泛，它是一种二维周期性结构，本质是一种空间滤波器，由谐振的金属单元周期性排列构成。FSS对不同频率的电磁波具有选择透过性，通常分为贴片型和孔径型两种，分别表现为带阻和带通的特性，影响FSS电磁特性的主要因素包括单元形式、排布方式、入射角度等。在实际工程应用里，FSS通常由金属板和介质衬底组成，一方面增加了FSS的物理强度，另一方面采用PBC板或蒙皮涂敷的加工方式，生产制造过程相对更容易。介质加载一般有两种方式：一种为单侧加载，金属FSS贴在介质层的一侧；另一种为双侧加载，介质层包裹在FSS两侧。

FSS介质加载组成了金属-介质混合结构，许多学者对其求解方法做了深入的研究，主要有周期矩量法、模式匹配法、谱域法、等效电路法等，但它们都具有很强的局限性，仅能求解无限大周期或规则的FSS结构，对新型的复杂FSS结构(如共形、交趾、嵌套、叠层)的设计，这些方法并不适用，还需要依靠于数值方法进行分析。常用数值方法包括微分方程和积分方程方法。微分方程适合求解一些复杂的精细结构，能够精确模拟带状线或腔体内部场的变化，复杂度较低，但是当目标电尺寸很大时会带来色散误差，使得求解精度变差，所以不适用于FSS结构的计算。积分方程是根据麦克斯韦方程组严格推导的求解方法，是一种全波分析方法，不会引入多余的误差，并且自动满足远场边界条件，它可以很容易地求出金属表面电流分布和散射体的雷达散射截面(RCS)，这些正好是FSS结构所关心的，所以FSS结构一般采用积分方程进行数值求解与分析。

积分方程仿真软件中最著名的就是EMSS公司的FEKO，它常用于分析复杂结构的散射特性，FEKO对于金属-介质混合结构所使用的是体面积分方程方法(VSIE)。但基于大量的数值仿真案例，发现FEKO传统的VSIE方法在计算FSS的金属-介质混合结构时，存在计算不准确的问题，主要表现为频率响应曲线向高频偏移，对于FSS这种对频率变化非常敏感的结构，频偏显然是不能容忍的。并且传统的VSIE方法内存消耗较大，求解效率较低，很难分析大规模FSS阵列，限制了工程上的研究进程。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种应用于仿真FSS结构的散射场求解方法解决了传统VSIE的频偏问题，并且具有更少的网格数目和内存开销，另外其迭代收敛速度也更快，本发明适合求解更复杂的电大尺寸FSS结构。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种应用于仿真FSS结构的散射场求解方法，包括以下步骤：

S1、根据FSS几何模型的位置和介质体的材料参数，建立FSS几何模型；

S2、设定仿真所需的仿真频率、激励和散射场RCS的参量；

S3、根据电磁场理论和仿真频率，建立体面积分方程VSIE；

S4、根据激励的波长，对FSS几何模型进行网格划分，得到剖分的网格；

S5、标准化剖分的网格中的每一个子网格，并对每一个标准子网格建立准正交基函数；

S6、采用准正交基函数对体面积分方程VSIE进行离散处理，并对离散后的对体面积分方程VSIE进行矩阵化处理，得到矩阵方程；

S7、采用迭代法求解矩阵方程，并采用多层快速多极子算法降低矩矢相乘的复杂度，得到子网格上的电流分布；