In this dissertation two kinds of hybrid methods, SBR-FDTD and IPO-FDTD, were studied to estimate the scatterings from an open-ended circular cavity which has either a circular cylindrical protrusion, a cone with 12 blades inside, or circular cylindrical protrusion with 8 straight blades. The three scattering structures have been chosen to study the two hybrid algorithms, grasp uncertain implementation method, and verify the embodied programs.
For the case of SBR-FDTD, as the field values at every FDTD cell adjacent to the interface plane ($C_1$) are determined by the SBR and the ray illumination test, the more accurate field distributions at the interface plane has been found.
In the study of IPO, two methods, AIPO_RT and AIPO_GR, to determine the iteration number of IPO simulation are proposed and applied to the analysis of scattering from open-ended circular waveguide cavities. In AIPO_RT, the iteration number has been determined from the results of ray path tracings. This method can provide the iteration number proportional to reflections of importance only in case that the ray tracing can be easily implemented. In the AIPO_GR, the quantity of current growth at every facet which constitutes the structure is monitored every iteration and if the value of it falls below the predefined threshold the iteration is forced to terminate. As the method can be applied to any structure, it is safe to say that the method is the more general one to determine the iteration number of IPO simulation. Several simulations showed that the two methods, AIPO_RT and AIPO_GR, can suggest relatively proper iteration number in case that an enough iteration number is unpredictable especially where the number of internal reflections is relatively high such as in deep waveguide cavities.
The field distributions at $C_1$ have been calculated by the AIPO method and they are assigned to the excitation field values of FDTD cells adjacent to $C_1$. It is natural that fields at $C_1$ be evaluated at every center position of FDTD cells adjacent to the interface plane. But the number of cells is so many to cause excessive time of simulation. To reduce the time of simulation, the simplest interpolation method has been proposed. That is, $C_1$ plane are divided in the same density of cylinder wall, 4 facets/$\lambda$, fields are evaluated at the cell center, and field values of FDTD cell center be determined by the value of the nearest IPO facet. It is proved that the interpolation procedure to determine the field value at every FDTD cell at $C_1$ from the value at the nearest IPO facet have almost no effect on the accuracy of the IPO-FDTD simulation and moreover it can shorten the otherwise tremendously long calculation time.
For the FDTD simulation, the outer absorbing boundary is made transparent to the outgoing scattered fields with PML. And the envelope of plane wave is chosen to be a continuous sinusoidal wave or pulses. The pulse type plane wave has an advantage of the easiness of reflected wave observation so that it makes easy to determine the stop point of simulation. In case of a normal non-concave scatterer, scattered fields will not reside in the computation space for long period of time. But in the structures such as open-ended cavity there exist multiple reflections and the period of scattered wave’s existence will be longer than that of non-concave structures. Both type of plane wave have been implement and used to calculate RCS.
The studies about the effects on accuracy when a rate of HF region length and LF region length is changed have been done by varying the two lengths. It was found that as the volume of LF region get bigger, the accuracy of simulation become higher. But by increasing the volume of LF region, the simulation time was tremendously increased while the improvement of accuracy was not satisfactory.
The IPO-FDTD simulation proved to follow the trend of RCS variations more accurately than the SBR-FDTD even though it took much more time to estimate the scattering pattern of a jet engine like structure. It is caused by the fact that field distributions at the interface plane calculated by the IPO-FDTD are more realistic than those by SBR-FDTD.
전자파 산란해석은 무기체계의 개발 및 운용을 위하여 반드시 필요한 분야이다. 특히 무기체계의 산란현상을 측정이 아닌 시뮬레이션을 통한 예측분야는 예산 및 기간의 측면에서의 장점으로 인해 활발하게 연구가 진행되고 그 결과가 사용되고 있다. 전투기의 RCS를 예측하기 위해 기존의 고주파기법을 많이 사용하고 있는데 전투기 구조에 제트엔진 구조와 같은 오목한 형태의 형상이 존재하는 경우 이 영역으로 입사된 전자파가 다중반사 이후 역산란되기 때문에 기존의 고주파 기법만으로는 정확한 산란파를 예측할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 저주파 기법과 고주파기법을 혼용하는 하이브리드 기법을 연구하였다.
이 논문에서는 제트엔진구조를 입구가 열린 원통형 공진기로 가정하고 내부에 또 다른 형태의 산란체가 존재하는 구조로 단순화하고, 산란파를 해석하기 위해 두 가지 하이브리드 기법, 즉 SBR-FDTD와 IPO-FDTD 기법을 연구하여 RCS를 계산하였다. 내부산란체로 원통형돌기, 원통형 돌기에 축과 평행한 8개의 날개가 달린 구조, 그리고 콘형 허브에 12개의 평행한 날개가 달린 구조에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이 세가지 구조는 두 하이브리드 기법을 연구하고 확실히 알려져 있지 않는 구현방법을 파악하며, 구현된 프로그램의 정확도를 검증하기 위하여 선택하였다.
SBR-FDTD 기법의 경우, 고주파와 저주파 영역을 분할하는 가상의 인터페이스면($C_1$)에 입사하는 필드값을 SBR 기법과 광선조사영역 탐지과정을 통하여 구함으로써 좀더 정확한 인터페이스면의 필드 분포를 얻도록 알고리즘을 고안하였다. IPO 기법의 경우, IPO 시뮬레이션의 반복횟수를 결정하는 두 가지 기법, 즉 AIPO_RT와 AIPO_GR을 제안하였다. AIPO_RT 기법은 반복횟수를 광선추적의 결과를 이용하여 결정한다. 이 기법은 광선추적이 용이한 구조에서 적용가능하며, 반사회수에 비례하여 IPO 반복횟수를 결정해야 하는 전제를 이용한 것이다. AIPO_GR 기법은 구조체를 구성하고 있는 모든 패치의 전류 성장량이 매 IPO 반복시에 감시되며 이 전류 성장량이 어떤 임계 값보다 작아지는 경우 반복을 멈추는 과정을 거친다. 그리고 이 기법은 광선추적 결과를 사용하는 기법보다 좀더 일반적인 구조에 적용 가능하다. 몇 가지 시뮬레이션을 수행한 결과 이 두 가지 IPO 기법은 충분한 반복횟수를 예측할 수 없는 경우, 특히 내부 다중반사가 존재하는 길이가 긴 공진기와 같은 구조에서 충분한 반복횟수를 제시해 줌을 증명하였다.
SBR 기법에 의한 인터페이스면에서의 입사파의 계산량은 크지 않으나 IPO에 의한 계산량은 FDTD의 높은 셀밀도(20/$\lambda$)로 인해 매우 크다. 이를 줄이기 위하여 인터페이스면의 분할 밀도를 줄여서(4/$\lambda$) 각 셀에서의 필드값을 벽면전류로부터 계산하고, FDTD 시뮬레이션에서 각 셀의 필드값(20/$\lambda$)은 가장 가까운 4/$\lambda$의 밀도로 분할된 인터페이스면의 필드값으로 설정한다. 이와 같은 방법을 이용하면 계산시간을 크게 줄일 수 있었고, 몇몇 구조에 대한 시뮬레이션 결과 그 RCS패턴에는 영향이 없었다.
FDTD 기법을 사용하기 위해 외부 경계를 PML을 사용함으로써 외부로 방사되는 필드가 자유공간에서 전파되는 것처럼 모사하였고, 평면파의 파형은 지속적인 사인파 또는 펄스를 사용하였다. 펄스형태의 평면파를 사용하면 산란파의 지속여부를 판단하여 시뮬레이션의 중단시점을 결정하기에 용이한 장점이 있다. 이러한 장점은 본 논문에서 고려하고 있는 다중반사가 존재하여 산란파의 생존기간이 긴 공진기 형태의 구조에서 더 용이하므로 펄스형태의 평면파를 이용하여 FDTD 시뮬레이션을 수행하였다.
두 가지 하이브리드 기법에 의한 시뮬레이션 결과는 논문에 발표된 측정치 또는 모드해석방법에 의한 결과에 근접하였으므로 본 논문에서 제시한 하이브리드 기법을 검증할 수 있었다. 그리고 IPO-FDTD 기법의 결과가 SBR-FDTD의 결과보다 계산시간이 길어지지만 그 정확도가 높았으며, 그 이유는 인터페이스면에서의 필드분포를 더 정확히 예측할 수 있었기 때문이다.
