多尺度目标电磁分析方法研究

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论文详细研究了多尺度目标电磁分析积分方程方法。针对多尺度目标网格离散稠密,矩阵方程性态差等问题,论文主要研究了加速矩阵方程求解的快速积分方法和预条件技术。  第二章主要研究多层FFT方法(Multilevel FFT,MLFFT),并把它用于提取大规模集成电路电容参数,相对于电容提取软件FastCap中采用的预校准FFT方法(Precorrected FFT),MLFFT采用八叉树结构对分析的问题分组,利用拉格朗日插值进行多层插值和投影,规则插值点只分布在非空组中,远场组之间采用FFT技术加速。论文对MLFFT和传统FFT方法进行了详细比较。相比传统的FFT类方法,MLFFT具有以下显著的优势:1)不需要修正近作用矩阵元素;2)对于多尺度问题分析,避免空网格点的计算。从而提取三维集成电路电容矩阵,MLFFT的计算复杂度为O(N),N为目标离散未知量。  第三章主要研究多层矩阵压缩方法(Multilevel Matrix Compression Method,MLMCM),不同于传统的低秩压缩方法如自适应交叉近似(Adaptive Cross Approx-imation,ACA),每对相互作用组需要构造和存储一次低秩分解矩阵,对于一个特定组,MLMCM仅分别定义一个辐射矩阵(Radiation Matrix)和接收矩阵(ReceivingMatrix);两个远场作用组之间定义一个转移矩阵(Translation Matrix)。对于中等电尺寸问题,MLMCM由ACA的O(N4/3 log N)计算复杂度降为O(Nlog N)。对于电大多尺度问题如EV-55飞机内部电场分布,卫星平台天线之间的耦合,论文研究了rMLMCM/MLFMA(reciprocal MLMCM/Multilevel Fast Multipole Algorithm),rMLMCM在MLMCM的基础上,定义Receiving Matrix为Radiation Matrix的转置矩阵,用于压缩MLFMA的近场部分,离散得到的矩阵方程采用多分辨ILU(MR-ILU)预条件加速求解,rMLMCM/MLFMA的计算复杂度为O(N log N)。  第四章主要研究嵌套等效源近似方法(Nested Equivalent Source Approximation,NESA)压缩矩量法矩阵,分析中低频多尺度问题。NESA思想来源于复杂度为O(N),压缩静态标量问题的嵌套ACA方法。论文通过分布在合适设计、自动产生的等效球面上的等效源来表示远场组之间的相互作用。等效源通过求解等效源和组中原有的源,在测试面上产生的场在设定误差内相等的逆源问题(Inverse Source Process)得到。NESA分析低频和中频问题的计算复杂度为O(N),但是相比嵌套ACA复杂度具有更小的系数。更重要的是NESA相比嵌套ACA具有更高的计算精度,从而可以更快的收敛。论文通过一组雪片形状的分形结构(Koch Snowflakes),讨论了NESA优于嵌套ACA的多尺度特性。NESA与格林函数形式无关,可以简单的应用到现有的矩量法(Method of Moments, MoM)程序中,加速方程求解。对于低频密网格问题,论文采用一种消除矩阵性态和低频快速方法数值误差关系的多分辨(Multiresolution,MR)预条件,加速方程的迭代求解,实现中低频时多尺度P180飞机模型的电磁仿真。  第五章主要研究宽带嵌套等效源近似方法(Wideband Nested Equivalent SourceApproximation,WNESA),分析电大多尺度问题。WNESA是对NESA向高频的推广,从而得到一个宽带的快速方法求解“混合频率”(Mixed Frequency)问题。论文对高低频区域,分别定义了不同的远相互作用容许条件。对于远场相互作用部分,当组尺寸小于1λ时,采用复杂度为O(N)的NESA求解;当组尺寸大于等于1λ时,为了得到固定秩的低秩压缩近似,论文把当前组对应的远场三维空间R3叠层的划分为O(D/λ)2个四棱锥形,锥形的顶角为O(λ/D),D为同层相互作用组尺寸,测试面定义为四棱锥的侧面边界。WNESA的等效源通过求解等效源和组中原有的源,在低频和高频的测试面上产生的场,在误差范围内相等的逆源问题得到。WNESA同样与格林函数形式无关,并且WNESA采用了方向性的、固定秩的低秩近似技术,可以实现O(N log N)的计算复杂度。论文对两种分形结构进行了宽带电磁仿真,证明算法的多尺度特性,并且实现对电大、多尺度P180飞机和复杂卫星模型的电磁仿真。  总之,论文通过详细研究矩量法快速求解技术和预条件技术,解决多尺度问题电磁分析中遇到的困难和挑战。通过理论分析和数值仿真算例,证明了论文研究方法分析实际多尺度目标的有效性。
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