基于矩量法的二维金属体散射(内含matlab程序)

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1、基于矩量法的二维金属体散射计算1问题的描述本题是用矩量法计算二维金属圆柱体的散射场，如图所示为一圆柱体和一个椭圆柱的截面，为了计算简单，选入射波为垂直z轴入射的TM或TE平面波y2x2矩量法求解过程2.1电场积分方程2.1.1问题的分析由麦克斯韦方程组(1)(2)可得电场积分方程为(3)表示在圆柱表面的面电流在远处产生的总场。设入射场为E，散射场为E，由金属表面的边界条件=0(4)得(5)2.1.2离散化设入射波为,将散射体截面C分为N份△C，用点匹配法对上述积分式子进行离散化，即基函数可取(6)可得下列离散方程：[P]

2、{J}={b}(7)其中：(8)(9)当m≠n时，(10)当m=n时解析积分为(11)其中=1.781,e=2.7182.1.3方程组的求解可用LU分解求解方程组，即P=LU，其中P为可逆矩阵，L为上三角矩阵，U为下三角矩阵，则可利用这两个基本的三角矩阵进行求解J，求出J之后，就可求散射场(12)(13)与二维场中的散射截面(14)2.1.4输出结果的验证此散射问题也可用模式展开法进行求解，可用此结果对本问题进行验证。所得J为(15)2.2磁场积分方程对于TE波垂直与z方向入射时的金属体的散射。对于一般的TE波而言只有场

3、分量，电流密度方程只有横向分量。则MFIE为：(16)其中(17)yytnxx(18)其中t表示边界上的一点，是和X的夹角。根根据前面的过程，圆柱边界分成N分。等效电流密度可以近似为一些脉冲函数的迭加：(19)其中(20)则得到(21)矩阵非对角元(22)(23)在上认为是常量故(24)对角元(25)其中回波宽度的近似公式为：(26)3计算机数值实验及分析本论文通过数值计算验证前面理论分析的结果，并对数值计算结果进行分析。分别以金属圆柱体和金属椭圆体为计算例子，做数值实验和分析。所使用的计算机程序是商业软件MATLAB6

4、.5，数值实验在本人机子（celeron41.8GCPU128M内存）,操作系统是windowsxp。3.1二维金属圆柱体的散射基于上面的分析，考虑垂直z方向入射的横向磁波（TM）,离散方程为（7）,编程的基本思路是对(10)式和（11）式编程实现，得出[p]矩阵，再由(9)式得出{b}列，用MATLAB6.5软件上的线性方程组直接求解法求解出{J}。散射截面（回波宽度）可以通过（14）式离散计算出来。计算例子是一个z方向均匀且无限长的金属圆柱，半径为1.5米（），金属圆柱中心和z轴重合，入射波为z方向极化，幅值为1，从

5、负x轴方向垂直z轴入射的TM平面波，工作频率为100MHz，波长米。由于是金属体且z方向均匀，可以只考虑对垂直z轴截面的圆周进行剖分并计算。下图给出了720个剖分下电流密度分布的计算结果与近似解析解的比较，其中近似解析解是根据《导波理论》书上3.48式(本文的（15）式)在n=-36到n=36下计算出来的。计算时入射角取为0度。其中x轴为，y轴为电流密度，由图可见，电流密度分布和近似解析解无论幅度相位之间都有着非常好的吻合。计算所得的总等效电流Iz＝-0.0079+0.0083i,而在剖分精度为180时，计算所得的总等效

6、电流Iz=-0.0084+0.0083i。而解析解的总电流Iz=-0.0077+0.0083i，可见随着剖分精度的增加，计算结果收敛于解析解。图1（a）EFIE，剖分精度720图1（b）EFIE近似解析解下图给出的是回波宽度的分布图1（c）EFIE剖分精度720其中x轴为，y轴为，据个人粗略分析应该基本符合事实。由于没能得到回波宽度的解析解，没能作进一步的分析比较。下面给出入射角为90度，半径，而其他条件不变的情况下，所得的计算结果。（d）EFIE剖分精度720由此可见，相对前面那种情况，入射角变化90度，等效电流密度分

7、布也相应有90度的相移，回波宽度的幅度减小了很多，但大体的形状保持不变。这时候的总电流Iz=0.0067+0.0028i。3.2TM波入射金属椭圆柱的散射对于二维金属椭圆柱体的散射这种情况，由于圆柱体是椭圆柱的特殊情况，所以解题的基本思路基本一样，就是对每个剖分步长用数值积分得到，这样有利于得到精确的计算结果。实践的过程也证明了这一点，当每个剖分步长用两个剖分点的直线距离来近似的话，带来很大的误差，而用数值积分得到的结果和解析解很好地吻合。计算例子是一个z方向均匀且无限长的椭圆柱，长轴，短轴，即金属圆柱中心和z轴重合，即

8、椭圆方程为。入射波为z方向极化，幅值为1，从负x轴方向垂直z轴入射的TM平面波，即入射角为0度。工作频率为100MHz，波长米。由于是金属体且z方向均匀，可以只考虑对垂直z轴截面的椭圆周进行剖分并计算。图3（a）(b)给出了1000个剖分和2000个剖分下的电流密度分布的计算结果，图3(c)给出解析解以作为比较，而图