电磁（EM）散射建模--多路径模型_ACT_FEKO_光学_ANSA

电磁（EM）散射建模--多路径模型

多路径模型已经用于计算粗糙表面上或上方的物体的电磁散射，主要包括直接路径和三条反射路径的散射贡献。为了考虑底层表面的介电特性和粗糙度特性，引入了菲涅尔反射系数和粗糙表面反射系数来修正反射电磁波的幅度。传统的四路径多路径模型在考虑高阶散射机制时存在困难，限制了其在复杂场景中的准确分析能力。特别是在低掠射角情况下，粗糙表面与物体之间的多次反射现象无法被有效考虑。

几十年来，对位于粗糙表面上的大型电物体进行电磁（EM）散射建模一直是一个主题。物体及其底层表面之间的 EM 相互作用是整个散射场的重要组成部分。由于这种大规模场景的复杂性，对许多可能的散射相互作用的分析很复杂。

在粗糙表面上对大型电物体进行电磁散射建模时，面临的主要问题包括复杂场景的电磁相互作用、粗糙表面的影响、计算效率与精度的平衡、近场效应、高阶散射机制、模型验证与实验数据以及计算资源与算法优化。

解决这些问题需要综合运用多种方法和技术，以提高模型的准确性和计算效率。

用于电磁散射计算的多径模型技术

多路径模型主要包括四路径多路径模型、改进的多路径模型（MMP模型）、多路径模型增强的SBR技术（MP-SBR）、传统的多路径模型和混合SBR技术。这些模型在不同场景下具有各自的优势和局限性，通过改进和结合其他技术（如SBR技术），可以提高电磁散射计算的准确性和效率。

1. 传统的多路径模型

描述：传统的多路径模型通常基于四路径模型，用于计算粗糙表面上或上方物体的电磁散射。

局限性：传统的多路径模型在低掠射角情况下表现良好，但在高掠射角情况下，由于忽略了阴影效应和高阶散射机制，模型的准确性有所下降。

2. 四路径多路径模型

四路径多路径模型是常用的计算粗糙表面上或上方物体电磁散射的模型。它包括四条主要路径的散射贡献：直接路径和三条反射路径。

应用：该模型通过物理光学（PO）方法计算散射场，并使用菲涅尔反射系数和粗糙表面反射系数来修正反射电磁波的幅度。

局限性：该模型在考虑高阶散射机制时存在困难，特别是在复杂场景中，无法准确分析多次反射现象。

3. 改进的多路径模型（MMP模型）

改进的多路径模型（MMP模型）结合了改进的粗糙表面反射系数，用于更准确地计算粗糙表面上物体的电磁散射。

改进点：引入了改进的粗糙表面反射系数，考虑了与物体相互作用的相干表面区域的大小，特别是在近场情况下。

应用：MMP模型通过物理光学（PO）方法计算四路径散射场，并使用改进的反射系数修正三条反射路径的散射贡献。

验证：通过FEKO的矩量法（MoM）对MMP模型进行了验证，结果表明改进的反射系数在多路径散射计算中表现优于传统的Ament系数。

4. 多路径模型增强的SBR技术（MP-SBR）

多路径模型增强的SBR技术（MP-SBR）将多路径模型插入到近场SBR过程中，以更准确地计算粗糙表面上物体的散射场。

改进点：MP-SBR技术不仅考虑了直接入射的散射场，还考虑了来自远处菲涅尔区的表面反射照明以及物体与附近底层表面之间的电磁相互作用。

应用：通过数值计算和实测雷达图像的对比，验证了MP-SBR技术在近场电磁散射预测中的有效性。

优势：MP-SBR技术在高保真雷达图像生成中具有显著优势，能够更准确地模拟复杂场景中的电磁散射现象。

5. 混合SBR技术

混合SBR技术通过半空间格林函数获得半空间配置中物体的远场电磁散射。

应用：该技术考虑了粗糙表面对感应物体电流的影响，适用于低掠射角情况下的电磁散射计算。

优势：混合SBR技术在处理低掠射角情况下的电磁散射问题时具有较高的计算效率。

参考文献

[1] J. Shan and X. Xu, "Multipath Model Enhanced SBR Technique for Prediction of Near-Field EM Scattering From Objects on Rough Surfaces," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 73, no. 1, pp. 539-553, Jan. 2025, doi: 10.1109/TAP.2024.3502836.

来源：微波工程仿真

超表面等效电路模型和极化率提取方法

超表面极化率提取和等效电路模型在电磁学和材料科学中具有重要意义，在不同层面上提供了对复杂电磁结构和材料的深入理解和分析方法。而超表面作为一种可行的天线结构模式，特别是对于大孔径，其固有的无源结构提供了相当大的好处。目录超表面的极化率提取等效电路模型参考文献 MSAs shown below👇超表面的极化率提取极化率提取是指获得超材料元件有效极化率的数值过程。极化率模型中是假设元件可以描述为点偶极子，通过全波数值模拟进行确认。对于被描述为点偶极子或点偶极子集合的元件，其尺寸应足够亚波长，以便其场在波导内外都能由适当的格林函数很好地描述。在点偶极子假设的情况下，可以从馈送超材料元件的波导内的透射波和反射波中推断出元件的有效极化率。极化率提取的方法如图所示，该图显示了具有入射电场和散射n模的波导的横截面。对于此分析，我们假设矩形波导在高于最低TE模式的截止频率和低于第一高阶模式的截止温度的频率下工作。在这种情况下，只有一种传播模式——TE10模式——其形式如下超材料元件可以被视为对波导的扰动，通常会激发所有模式，因此元件散射产生的场必须严格表示为所有可能模式的总和。由于除TE10模式外的所有其他模式都超过了截止值，它们将以指数方式远离元件衰减，导致产生有助于有效集总电感或电容的无功场。在偶极框架中，决定散射场和辐射场的是超材料元件的有效偶极矩p͈和m。根据以下公式，与超材料相关的有效偶极矩可以通过极化率与入射场相关联起来：将两个极化率分量与波导中的透射场和反射场联系起来，我们首先应用归一化条件因此，得模式系数为极化率可以用散射参数表示为对于偶极近似提供了元件的适当描述的情况，与散射参数相关的极化率方程足以作为表征波导馈电超材料元件的一种手段。这种近似的有效程度反过来取决于耦合模理论中许多假设的有效性。而，超表面s参数的获取可以参考下面文章，S参数反演电磁特性和Floquet端口提取超材料S参数的方法介绍等效电路模型在将散射参数与超材料孔径相关的等效极化率相关联后，讨论将S参数与传输矩阵或ABCD矩阵相关联是有很大意义的。可以用简单的公式级联多个元素（假设除了散射之外没有其他相互作用）。然而，通过观察传输矩阵元素，也可以推断出超材料孔径的等效电路模型。电路模型与其等效极化率之间的联系为元表面设计提供了强大的工具。考虑三种情况：磁偶极子、电偶极子以及磁偶极子和电偶极子的组合。通过考虑第一个单偶极子分量，更容易理解阻抗模型的出现。获取了散射参数后，通过变换可以直接计算传输矩阵可以发现，T11=T22=1 , T21=0ABCD矩阵的形式，对角线元素等于1，T21=0，意味着一个由串联阻抗组成的电路模型，能够将T12=Z与得到的传递矩阵相等等效电路模型如图所示考虑辐射阻尼时磁极化率情况的等效电路，参考文献 [1] D. R. Smith, M. Sazegar and I. Yoo, "Equivalence of Polarizability and Circuit Models for Waveguide-Fed Metamaterial Elements," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 73, no. 1, pp. 7-21, Jan. 2025, doi: 10.1109/TAP.2024.3439728. 来源：微波工程仿真