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小规模阵列天线结构项电磁散射特性的深度剖析与应用研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代通信、雷达等电子系统中，天线作为实现电磁波发射与接收的关键部件，其性能优劣直接关乎系统的整体效能。随着科技的迅猛发展，对天线性能的要求日益严苛，不仅期望其具备高增益、低损耗等特性，还需在复杂电磁环境下稳定工作。小规模阵列天线凭借其独特优势，如可通过调整单元数目、分布形式、单元间距、激励幅度和相位等因素，灵活控制辐射特性，在众多领域得到了广泛应用。

在通信领域，信号传输的质量和稳定性至关重要。小规模阵列天线能够通过优化电磁散射特性，减少信号的反射和散射损耗，提升信号的传输效率和可靠性。例如，在5G通信乃至未来的6G通信系统中，需要高速、稳定的数据传输。小规模阵列天线可以利用其空间分集和波束赋形技术，增强对目标区域的信号覆盖，降低信号干扰，从而提高通信质量，满足人们对高清视频通话、虚拟现实等大带宽、低延迟业务的需求。

在雷达领域，雷达的探测性能直接影响其对目标的检测、跟踪和识别能力。雷达通过发射电磁波并接收目标的散射回波来获取目标信息，而小规模阵列天线的电磁散射特性分析对于雷达系统具有关键意义。精确掌握其散射特性，有助于优化雷达的探测性能。一方面，能够提高雷达对目标的检测概率，使其能够更敏锐地捕捉到微弱目标信号，及时发现远距离或低可观测性目标；另一方面，可降低虚警率，减少因错误检测而产生的干扰信息，从而提升雷达对目标的跟踪精度和识别准确率，为军事防御、航空航天监测、气象探测等应用提供更可靠的数据支持。

此外，随着现代电子设备向小型化、集成化方向发展，对天线的尺寸和性能提出了更高要求。小规模阵列天线在有限空间内实现良好的电磁性能，使其成为满足这一需求的理想选择。研究其结构项电磁散射特性，有助于在设计阶段就对天线性能进行精确预测和优化，减少研发成本和周期，推动相关领域的技术进步。

综上所述，深入开展小规模阵列天线结构项电磁散射特性分析研究，对于提升通信、雷达等系统的性能，推动相关领域的技术发展具有重要的理论和实际意义。

1.2国内外研究现状

小规模阵列天线结构项电磁散射特性的研究一直是电磁学领域的重要课题，国内外众多学者和研究机构在这方面开展了广泛而深入的探索，取得了一系列具有重要价值的成果。

在国外，许多知名高校和科研机构如美国的麻省理工学院（MIT）、加州理工学院，以及欧洲的一些研究团队，长期致力于电磁散射理论与应用的研究。早期，研究者们主要基于经典电磁理论，如几何光学（GO）、物理光学（PO）等方法，对简单形状的目标电磁散射进行分析。这些方法在处理电大尺寸目标时具有计算效率高的优势，但对于复杂结构的小规模阵列天线，由于难以精确描述其局部电磁特性，计算精度存在一定局限性。随着计算机技术的飞速发展，数值计算方法逐渐成为研究电磁散射的主流手段。其中，矩量法（MoM）、有限元法（FEM）和时域有限差分法（FDTD）等得到了广泛应用。矩量法通过将积分方程离散化为线性代数方程组来求解，能够精确地处理任意形状的导体和介质目标，但对于大规模问题，其计算量和内存需求较大。有限元法将求解区域划分为有限个单元，通过变分原理将电磁问题转化为代数方程组求解，在处理复杂边界条件和非均匀介质时表现出独特的优势，但对计算资源的要求也较高，尤其是在分析大规模阵列时，计算效率有待提高。时域有限差分法直接在时间和空间上对麦克斯韦方程组进行离散，能够直观地模拟电磁脉冲的传播和散射过程，但在计算电大尺寸目标时，由于需要精细的网格划分，计算量呈指数增长。

近年来，为了克服传统数值方法的不足，国外学者提出了许多改进算法和混合算法。例如，多层快速多极子算法（MLFMA）与矩量法相结合，大大提高了矩量法处理大规模问题的能力，能够有效降低计算量和内存需求，使得对大规模阵列天线的电磁散射分析成为可能。同时，一些基于高频近似的混合算法，如几何绕射理论（GTD）与物理光学法的结合，在保证一定计算精度的前提下，显著提高了计算效率，适用于电大尺寸且结构相对复杂的目标散射分析。此外，在实验研究方面，国外的一些先进实验室利用高精度的微波暗室和测量设备，对各种类型的小规模阵列天线进行了散射特性测量，为理论研究提供了可靠的实验验证数据。

在国内，随着对通信、雷达等领域技术需求的不断增长，众多科研院校和研究机构也在小规模阵列天线电磁散射特性研究方面投入了大量精力，并取得了丰硕成果。国内学者在深入研究经典电磁理论和数值计算方法的基础上，结合我国实际应用需求，开展了具有特色的研究工作。例如，在有限元法的应用中，针对传统有限元方法计算效率低、内存消耗大的问题，国内学者提出了一系列改进措施。通过采用自适应网格剖分技术，根据目标的电磁特性在不同区域自动调整网格密度，在保证计算精度的同时，有效