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电磁散射数值分析中的特征基函数方法

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Vol. 19, Sup.2004年10月第19卷增刊October.2004电磁散射数值分析中的特征基函数方法聂在平            徐利明(电子科技大学,zpnie)uestc. edu. cn,四川成都610054)摘要研究了电磁散射分析中一种新颖的拒阵降阶技术—特征基函数(CBF)方法,并从理论和应用两方面对其进行讨论。基于模型分块以及高层级基函数的概念,首先构造散射体子块上的特征基函数,包括反映初始激励响应的一次基函数(PCBF)和反映不同子块之间互作用的高次基函数,来构成全局的矩阵方程。所得到的矩阵尺度仅与子块数量M有关,故极大的降低了传统0--f法中阻杭拒阵的尺度。由于基函数的构建充分考虑了子块间的相互藕合,因而得到的特征基函数较能真实地描述实际电流分布规律;通过求解全局方程确定MZ待求童,即可得到较为精确的数值结采。关键词电磁散射,矩量法,特征基函数,高效算法1引言    在高效数值方法的最新进展中,比较令人瞩目的是快速多极子方法(FMM)和多层快速多极子方    近年来,基于积分方程的各种数值方法在电磁法(MLFMA) [4-11。它们通过加法定理展开格林函散射问题分析中获得了广泛的应用。众所周知,经数并利用分组、分层概念降低阻抗矩阵的储存需求,典的矩量法严格计及各子散射体之间的互藕,导致同时大大加快了迭代求解中的矩阵与矢量相乘,计生成的阻抗矩阵为满阵,其存储复杂度为O(NZ),算复杂度仅为O(N''s ),O(N・LogN)。最近提出直接求解矩阵方程的计算复杂度为O(N3)(其中N的特征基函数方法(CBF)则基于散射体分块的概为未知量数),迭代求解的计算复杂度为O(NZ ),但念,构造高层级(High level)基函数,并通过全局矩还依赖于收敛特性(迭代次数)。随着目标电尺寸的阵来计及块间互藕,可避免迭代方法考虑块间互作增大,对计算机资源的要求迅速增加,形成了实际应用时的缺陷,提供了一条求解大尺度问题的新思路。用的瓶颈。为了降低矩量法的计算时间和存储复杂利用CBF来求解电大尺寸目标的电磁散射问    度,已提出了多种针对矩量法的改进方法。一方面,题。通过理论分析与数值实例证明,利用CBF分析人们极力寻求各种矩阵稀疏化方法以减少计算量。电磁散射问题,不但有效降低了阻抗矩阵的尺度,同例如利用小波基函数来对阻抗矩阵进行稀疏化,但时可获得满意的精度。由于CBF是基于使用三角其困难在于如何针对不同的实际情况构造小波贴片的RWG基函数来构建的,故可模拟任意复杂基[[I];阻抗矩阵定位方法(IML)[2〕通过选择合适的的目标表面结构。其与FMM和MLMFA的结合基函数分布来获得狭窄的“方向图”分布,从而使得应用,将形成求解电大尺寸问题的重要技术途径。阻抗矩阵得以稀疏化,同时保持条件数不变。但这本文亦指出了CBF方法的一些不足之处及其改进些方法通常要求目标表面足够平滑。另一方面,直措施。接降低阻抗矩阵尺度的方法,如高阶基函数方法通过定义大贴片上的高阶基函数来降低未知量数目并2理论基础提高收敛性,但效果极为有限。宏基函数(MBF)和2.1经典矩N法(MOM)和阻抗矩阵多层分块方法(SMA)先获得较大区域块上的宏基对于一般的散射问题,以理想金属导体(PEC)    函数[[31,迭代求解得到总的电流分布;由于没有直接的电场积分方程为例,利用定义在三角贴片上的在阻抗矩阵中考虑块间互藕,使得矩阵性态难以保RWG基函数,可以得到如下矩阵方程:证,而且仅适用于平面结构。牙。I=V                           (1)46电波科学学报第19卷其中Z为NXN维的阻抗矩阵,I和V分别为NX1维的未知电流向量和激励向量;N为未知量数,对应于全局公共边数目。为了满足精度要求,目标表面网格单元尺度最好要小于A/8,基函数就是定义在这些网格单元上的。显然,在电尺寸很大时21    ,冰N;) Ic冰1,一V(c+r, l,)X1),j=1,2,…,i一1,1-}-1,…,M(3)这里的Z rN.;; )X N;,与(2)式中的相同;V铆X1)是第j块PCBF对第i个子块的作用形成的激励向量,可由下式表示:MOM将产生维数巨大的满矩阵方程,成为求解实  VN)cr XD一Z冰Np I(冰1)           (4)际问题的巨大制约因素。如果能够在较大的分块区域上定义能较好表征该区域上电流分布的“宏”基函数,显然可以降低未知量数,从而降低矩阵维数。MBF, SBF, SMA方法就是在此基础上提出来的,但这些方法需要在不同分块之间递归求解来不断修正待求量。与上述方法不同,特征基函数(CBF)的构建则充分考虑了分块之间的互藕,无需递归求解。2.2特征基函数方法CBF方法的出发点是将整个目标结构划分成    M个子块。为了反映块间的相互作用,在每个子块上又可构建M个CBF。其中之一描述了初级场照射下的本块自作用,称为“一次基函数”(PCBF, pri-mary level basis functions);另外M-1个CBF则反映块间互作用,称为“二次基函数”(SCBF, sec-ondary level basis functions)。当然,还可包括高次互藕作用形成的更高次的CBF。由于高次互辆作用通常较弱,一般取到二次基函数即可。此时,共有M`个特征基函数来描述整个散射体表面的电流分布。一般情况下,子块数M与式(1)中的N相比要小得多,因此基于CBF的矩阵方程尺度远远小于(1)式中的全局矩阵尺度。PCBF的构建    每一子块作为独立的区域,以初始人射场作为激励,可以构成M个独立的矩阵方程:Z(    (iN.i)x 从) Ni)冰:  I(,一V((iN.i)xl),i一1,2,""",M (2)其中N‘是第i子块的网格公共边数量;Z 7 (iN1ii )x N}.,的上脚标(i1i)表示孤立的第i个子块阻抗矩阵的自作用,下脚标(Ni XN;)表示该量是Ni X N;阶的矩阵或向量;f V((iN.0.Xi,表示子块i上各处的初始平面波激励;I(iN.ij)XI,表示初始激励(如平面波)作用下本区域内单元的相互作用生成的电流系数,用以构成该区的PCBF。显然PCBF没有考虑其它子块的作用。如果每一子块是相同的,则式(2)中的阻抗矩阵属冰N.,和相应的PCBF也是相同的,对式(2)只需求解一次即可。SCBF的构建以双匆认)    作为j子块电流对第i个子块的激励可以得到第i子块的M-1个SCBF:其中Z< i} is,体现了子块之间的相互藕合关系,上脚标(1,)j表示孤立的第J块对第i个子块的作用。    这样,通过求解方程(2)和(3)可以得到每一子块上的M个CBF(包括1个PCBF和M-1个SCBF)。对于M个子块,则共有M个PCBF和M(M-1)个SCBF,这样(1)式中的全局电流分布可以表示如下:I(1N.,kX)1)「lesweX)I)tl.I(NX1)=LI。“・”+又 c (2,k)买2.[(N,keseses +eseses es 洲esJ 阳 00」( 5   一+习 c (M,k)  I (MlNMXk)D  )其中包含个M2待定系数。。全局CBF队杭矩阵的生成一伽略金方法  将(5)式代人(1)式,可以得到:     a。C=V    (6)其中a=E撰                        0((1N1xD 1))      0((1N,XI2))“・ou,思0             (2NXD’0(.1)(2Nx,2)l)一0((2NX,MI)            0 (MlNX2l) )       . o((M,NxI2))…o((MINXDAD…〕(7)Ili)N,xN,’i(iN,kiX)D0 (iNXI,k))=(冰N,)’I(iN,kiX)l)(8)M,‘)NMXNi)・I(iN,kjX)D    斌MXl)=C)li(C    C (i.2,一。(i,M)〕(9)在方程(6)中,    未知量有1w个,而线性方程有N个,通常情况下M<N,因此方程(6)是一个超定方程。出现这一情况是因为上述方程是基于方程(1)推出的,这里是对全局RWG基函数采用伽略金匹配方法,因而产生了N个线性方程。为了得到标准的矩阵方程,可以在方程(6)的两端左乘OH,即〔7〕OHO。C=0H     V                    (10 )令A=VHV ,B=OHV,则A・C=B                             (11)增刊聂在平等:电磁散射数值分析中的特征基函数方法    可以证明方程(11)是采用最小二乘法得到的矩阵方程,并非是针对CBF采用伽略金方法得到的结果,虽然最小二乘法也是可以获得便分稳定性的方法,但是由于百是较大的矩阵,求解互时较为困难。下面从方程(11)出发,推导采用伽略金方法针对CBF基函数得到的矩阵方程。全局阻抗矩阵元素可以表示为:2画=<几,<K,    人>:,>:二(12)呱    =<几,E“>5二(13)其中几表示RWG基函数,元表示积分函数核。5。表示第m个基函数的定义域(相邻三角贴片)。按照前述CBF的定义,在第1个子块的第k个CBF为:N‘              F“,‘,=又J盆・‘・”f盆,)P1之,‘,,,=〔井・”六几・    ,〕・1公,‘,2,1盆,左,从’=[六・‘,几六,    即〕・11冰1)    (14)要注意的是,这里的局部编号(1,k,P)(第1子块上、󰀀󰀀一第趉个鯟CBF、第赑个全局未知量󰀀与全局编号舖之间有一一对应的关系。采用伽略金方法进行检验,阻抗矩阵元素应该为:A(‘,*)(,,。=(尸‘,。),(雳,尸j,D>马)乓(15)凡                  怂      =(习1盆,‘,对f盆,户,,(孟,习1分,‘,)qf护,‘)、>、(16)一习J之,‘,,,(几,”,习1分,‘,‘(元,刀,‘):。):,(17)一〔双本,〕T・最冰愁,・爪冰1)(18)这里2款劝‘.j砂的上标表明,2盆户‘q,j,仅与块编号有关,与该块对应的CBF编号无关。同样,对应的右端激励向量为B(,,*)=((F‘,。),E‘)乓(19)从              一(名1票,‘,,,f盆,,,,E‘>。‘(20)一[        1{冰;)〕T・V准xl,(21)其中B‘表示第1子块上的整个表面。这里得到的互、B与方程(11)中的压、B表达式是不一样的,无论是从表达形式上还是计算上看都要简单得多。可以看出,采用CBF后,    矩阵方程的维由N变为MZ,一般情况下,分块数是远远小于全局未知量数的,即砂=N,极大降低存储需求;由于整个过程只涉及小矩阵的计算,计算时间也得以减少。2.3CBF方法应用中的几个具体问题    )1直接划分子块将导致一个间题,即在对(2)式和(3)式进行求解时,每一子块的剖分边界会被误认为是真实的边缘,将导致原本并不存在的边缘电流。解决的办法是求解式(2)或式(3)时,将原子域先扩展成更大的一个区域,求解之后再取原子区域的解作为CBF。这样,CBF中将不含边沿电流。在利用(3)式和(4)式计算次级基函数的时候,也要从(4)式中排除掉扩展区域内的初级电流的贡献。另外,也可采用与FMM方法中类似的方式来构建CBF,即并不人为隔断目标表面,原来的所有公共边都参与求解,这样不会在分块边界上出现电流的不连续性,同时也简化了处理过程。)2    直接得到的CBF基函数并不满足正交性,相应的阻抗矩阵性态可能较差;因此应该先对CBF进行处理,例如进行Gram-Schmidt标准正交化,正交后基函数对应的阻抗矩阵条件数较小。)3    从前述过程可以看出,计算过程中实际要用到所有的阻抗矩阵元素,但不同的部分使用频度不一样,例如同样的小阶数矩阵暑1,“要用到M次,用于求解FCBF和SCBF;这是CBF方法减少计算量的主要原因。在计算二次激励和生成CBF矩阵时要用到才‘)j,,可以实时计算而不需存储;这是降低储存量的重要因素。这样,确定CBF时的存储复杂度为0(Max(N‘)xM),而CBF矩阵的复杂度为0(初ZXMZ)。4)由(2)式和(3    )式可知,求解每一个子块上M个CBF时,用到相同的矩阵暑‘,‘,,其维数较小,可用LU分解求解后重复多次使用,以进一步降低计算量。    )5全局矩阵互的维数为MZ,对于复杂表面结构,为了能够较好模拟表面电流分布,要求划分较多的子块,从而生成较大的压矩阵。但考虑到SCBF是高次电流,可以利用部分藕合模型来舍弃远区子块SCBF的作用(与相应的PCBF相比较,或者直接利用距离门限进行取舍),就可进一步减小全局矩阵的阶数。利用CBF方法,    本文给出了两个求解实例,并与直接求解方法进行了比较,从中可以看到CBF作3数值实例电波科为新颖的矩阵降阶方法的优势和较高的计算精度。如图1所示的4单元PEC贴片天线阵,    单个正方形贴片边长为a=1m,间距d=1m, y极化平面波垂直人射,计算了f = 30MHz, 100MHz和300MHz几种情况下的E面双站RCS,结果分别如图2、图3和图4所示。取A邝的网格密度,产生512个三角贴片,共704条公共边。使用全局RWG基函数求解时矩阵牙的尺度为704 X 704。现采用CBF方法求解,将天线阵分成4个子块,生成的CBF方法的矩阵A尺度为16 X 16,求解规模大大降低,而计算结果与全局RWG方法非常吻合。图5是一个边长的正方形PEC平板,    计算了平面波垂直人射时双站RCS。网格密度为,生成1600个三角贴片,公共边数目为4720,相应的为。采用CBF方法求解时分成16个子块,得到的矩阵尺度为。计算结果如图6所示,由于前面提到的人为分块,又未采用扩展区域的原因,得到的电流分布存在一些误差,影响了RCS的精度。通过扩展分块技术其它类似处理措施,可以在一定程度上降低这一误差。图1贴片天线阵列几何结构,.,.官-,s盈侣】. 诩0以 卫如 ̄日皿.如-Rw心朋书.30   00,.120,..100幻0  2翻朴.7的7,70  3009p哈】.加叫卜的加..图2  f=30MHz的计算结果学学报第19卷加15,0育蕊,也】.。U盆名戈}三. ̄.-,0-2103-FEKO.  Rw心0   7二0   90   120  150                                130 210  2的270  700  330,..e昨抽口.】wh.nq卜加加..圈3了=100MHz的计算结果官盈封}.0“戈.口. ̄.em"9a hw"ftm-9o "D.图4  ,f=300MHz的计算结果图5矩形金月平板的,日normal1 --c^--R明G(‘---CBF翻 幼豆 忍翻此公,铭石1.怕‘矛.,.0O ID".)州肠.扣0加..图6金属平板的双站RCS增刊轰在平等:电滋散封数值分析中的特征基函数方法4结论    基于分块的概念,特征基函数(CBF)方法通过构建较大尺寸分块上的“特征基函数”来生成较低尺寸的矩阵方程,从而降低了求解过程中的储存需求和计算时间。其它的分区方法〔习并没有直接在基函数中考虑分块之间的藕合作用,只是通过递归迭代对基函数进行修正,需要较长的迭代时间,甚至由于矩阵的病态而难于收敛。而CBF可以认为是通过不同阶次的特征基函数来体现结构的自藕合和互藕合的贡献,它们包含了频率信息和几何结构信息,因此还可以通过频率扩展来构建不同频率情况下的基函数。由于是基于标准的矩量法基函数(例如定义在三角贴片上的RWG基函数)构建的,CBF实际上是一组加权的分域基函数组合,而权系数是待定的自由度,它们通过求解全局藕合矩阵方程最终确定,因而更容易数值实现与精度控制。由于CBF方法是基于子块间的藕合方程进行    求解的,因此,对于给定的电大尺寸散射体,可根据其结构特征进行子块划分,例如互藕相对较弱的结构部件作为一个子块;同时,若子散射体本身电尺寸就很大,还可利用FMM求解孤立子块的矩阵方程。总之,CBF方法提供了一条进一步降低电大尺寸问题求解规模的途径。参考文献[1]         K FS abet, J C Cheng, and L PB  Katehi. Efficientwavel      et-based modeling of printed circuit antenna ar-r    ays[J ],IEE Proc Microwaves Antennas Propagat,146       (1999):298^-304.[2]  F X Canning. 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