Comptes Rendus
State of the art in computational methods for the prediction of radar cross-sections and antenna–platform interactions
Comptes Rendus. Physique, Volume 6 (2005) no. 6, pp. 626-639.

In this paper, a review is presented on computational methods for the prediction of Radar Cross-Sections (RCS) and antenna–platform interactions. In a first part the techniques for RCS computations are considered. A list of frequency and time domain solvers for the Maxwell's equations are given with their performances in memory requirements and run-time. Boundary Elements Methods, Finite Difference Time Domain Methods, Finite Elements—Finite Volume Methods, Hybridization and Factorization Techniques, are reviewed. The exceptional performances of the Fast Multipole Method compared to those of the classical Moment Method are especially highlighted. We have also made mention of some recent research work on numerical techniques conducted in France. Asymptotic methods are mainly discussed in the second part of this article devoted to antenna–platform interactions. After a brief description of the historical evolution of Geometrical Theory of Diffraction tools for antenna analysis and design, the advantages and drawbacks of different techniques for generating the geometry and searching the rays are discussed. Then a list of unsolved problems and lines of future research on asymptotic techniques are presented together with an example of a computer code founded on the Uniform Theory of Diffraction. In the conclusion some new research topics such as higher order finite elements defined on surfaces represented by B-Splines and macro-basis functions containing information on the phase or derived from analytical or asymptotic solutions are briefly introduced.

Dans cet article une synthèse sur les méthodes de calcul pour la prédiction des Surfaces Equivalentes Radar (SER) et des interactions antennes–structures est présentée. Dans une première partie les techniques de calcul des SER sont considérées. Une liste de solveurs en régime harmonique et stationnaire est donnée avec leurs performances en place mémoire et temps de calcul. Les méthodes d'éléments finis de frontière, de différences finies en régime temporel, d'éléments finis volumiques ainsi que les techniques d'hybridation et de factorisation sont passées en revue. En particulier, les performances exceptionnelles de la méthode des multipôles rapides comparées à celles de la méthode classique des moments sont mises en évidence. Nous avons aussi mentionné les travaux de recherche récents sur les techniques numériques conduits en France. Les méthodes asymptotiques sont surtout traitées dans la seconde partie de cet article consacrée à l'interaction antennes–structures. Après une courte description de l'évolution historique des outils de calcul fondés sur la Théorie Géométrique de la Diffraction, les avantages et inconvénients des différentes méthodes de représentation de la géométrie et de recherche des rayons sont discutés. Puis une liste des problèmes non résolus et les axes de recherche futurs sur les méthodes asymptotiques sont présentés ainsi qu'un exemple de code de calcul fondé sur la Théorie Uniforme de la Diffraction. Dans la conclusion quelques nouveaux sujets de recherche tels que les éléments finis d'ordre supérieur définis sur des surfaces décrites par des B-Splines et les macro-fonctions de base contenant une information sur la phase ou dérivées de solutions analytiques ou asymptotiques sont brièvement introduits.

Published online:
DOI: 10.1016/j.crhy.2005.06.013
Keywords: Radar Cross-section, Antenna–platform interaction, Numerical methods, Asymptotic methods, Uniform Theory of Diffraction
Mot clés : Surface Equivalente Radar, Interaction antenne–structure, Méthodes numériques, Méthodes asymptotiques, Théorie Uniforme de la Diffraction

Frédéric Molinet 1; Hervé Stève 2; Jean-Pierre Adam 3

1 Société MOTHESIM, La Boursidière, RN 186, 92357 Le Plessis-Robinson, France
2 Dassault Aviation, 78, quai Marcel-Dassault cedex 300, 92552 Saint-Cloud cedex, France
3 IEEA, 13, promenade Paul-Doumer, 92400 Courbevoie, France
@article{CRPHYS_2005__6_6_626_0,
     author = {Fr\'ed\'eric Molinet and Herv\'e St\`eve and Jean-Pierre Adam},
     title = {State of the art in computational methods for the prediction of radar cross-sections and antenna{\textendash}platform interactions},
     journal = {Comptes Rendus. Physique},
     pages = {626--639},
     publisher = {Elsevier},
     volume = {6},
     number = {6},
     year = {2005},
     doi = {10.1016/j.crhy.2005.06.013},
     language = {en},
}
TY  - JOUR
AU  - Frédéric Molinet
AU  - Hervé Stève
AU  - Jean-Pierre Adam
TI  - State of the art in computational methods for the prediction of radar cross-sections and antenna–platform interactions
JO  - Comptes Rendus. Physique
PY  - 2005
SP  - 626
EP  - 639
VL  - 6
IS  - 6
PB  - Elsevier
DO  - 10.1016/j.crhy.2005.06.013
LA  - en
ID  - CRPHYS_2005__6_6_626_0
ER  - 
%0 Journal Article
%A Frédéric Molinet
%A Hervé Stève
%A Jean-Pierre Adam
%T State of the art in computational methods for the prediction of radar cross-sections and antenna–platform interactions
%J Comptes Rendus. Physique
%D 2005
%P 626-639
%V 6
%N 6
%I Elsevier
%R 10.1016/j.crhy.2005.06.013
%G en
%F CRPHYS_2005__6_6_626_0
Frédéric Molinet; Hervé Stève; Jean-Pierre Adam. State of the art in computational methods for the prediction of radar cross-sections and antenna–platform interactions. Comptes Rendus. Physique, Volume 6 (2005) no. 6, pp. 626-639. doi : 10.1016/j.crhy.2005.06.013. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2005.06.013/

[1] U. Jacobus, N. Berger, Extension of the FEKO software capabilities for the modelling of antennas installed on Spacecraft platforms, ESTEC Contract no 18039/04/NL/LvH/gm, Final report, 2004

[2] N. Zerbib, M. Fares, T. Koleck, F. Millot, Some numerical models to compute the electromagnetic antenna–structures interactions, C. R. Physique (2005), in this issue

[3] D. Bouche; F. Molinet; R. Mittra Asymptotic Methods in Electromagnetics, Springer-Verlag, Berlin/New York, 1997

[4] R.F. Harrington Field Computation by Moment Methods, The Macmillan Company, New York, 1968

[5] S.M. Rao; D.R. Wilton; A.W. Glisson Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shape, IEEE Trans. Antennas Propagat., Volume AP-30 ( May 1982 ), pp. 409-418

[6] J. M Song; C.C. Lu; W.C. Chew Multilevel fast-multipole algorithm for solving combined field integral equations of electromagnetic scattering, Microwave and Optical Technol. Lett., Volume 10 ( September 1995 ), pp. 14-19

[7] J. M Song; C.C. Lu; W.C. Chew; S.W. Lee Fast Illinois Solver Code (FISC), IEEE Antennas Propagat. Magazine, Volume 40 ( June 1998 ) no. 3, pp. 27-34

[8] G. Sylvand, La méthode multipôle rapide en électromagnétisme : performance, parallélisation, applications, PhD Thesis, ENPC, June 2002

[9] J. Simon, Extension des Méthodes Multipôles Rapides : résolution pour des seconds membres multiples et applications aux objets diélectriques, PhD Thesis, June 2003

[10] Q. Carayol, Développement et analyse d'une méthode multipôle multiniveau pour l'électromagnétisme, PhD Thesis, February 2002

[11] K. Mer-Nkonga, F. Collino, The fast multipole method applied to a mixed integral system for time-harmonic Maxwell's equations, in: European Symposium on Numerical Methods in Electromagnetics (JEE02), Toulouse, France, pp. 121–126

[12] I. Terasse, Résolution mathématique et numérique des équations de Maxwell instationnaire par une méthode de potentiels retardés, PhD Thesis, École polytechnique, January 1993

[13] V. Lange, Equations intégrales espace-temps pour les équations de Maxwell. Calcul du champ diffracté par un obstacle dissipatif, PhD Thesis, October 1995

[14] I. Terasse, G. Sylvand, Pourquoi la BEM temporel n'a pas eu l'implémentation opérationnelle que l'on pouvait espérer il y a 10 ans ? Et comment y remédier ? Modélisation Electromagnétique, Journées Scientifiques de l'ONERA, 23 March 2005, in press

[15] K. Yee Numerical solution of initial boundary value problem involving Maxwell's equation in isotropic media, IEEE Trans. Antennas Propagat., Volume AP-16 (1966), pp. 302-307

[16] J. P Beranger A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves, J. Comput. Phys., Volume 114 (1994), pp. 185-200

[17] J.C. Nédélec Mixed finite elements in R3, Numer. Math., Volume 35 (1980), pp. 315-341

[18] P. Soudais; H. Stève; F. Dubois Scattering from several test objets computed by 3-D hybrid IE/PDE methods, IEEE Trans. Antennas Propagat., Volume 47 ( April 1999 ) no. 4, pp. 646-653

[19] V. Shankar; W.F. Hall; A.H. Mohammadian A time-domain differential solver for electromagnetic scattering problem, Proceedings on the IEE, Volume 77 (1989) no. 5, pp. 709-721

[20] J.P. Cioni; L. Fezoui; H. Stève A parallel time-domain Maxwell solver using upwind schemes and triangular meshes, Impact Comput. Sci. Engrg., Volume 5 (1993), pp. 215-247

[21] S. Piperno et al., Modélisation numérique réaliste des effets (thermiques) sur les tissus de la tête des ondes électromagnétiques émises par les téléphones mobiles, Journées Scientifiques de l'ONERA, 23 March 2005, in press

[22] G. Cohen, X. Ferrières, S. Pernet, Une méthode de Galerkin discontinue d'ordre élevé pour résoudre les équations de Maxwell dans le domaine temporel, Journées Scientifiques de l'ONERA, 23 March 2005, in press

[23] G. Leflour, Scattering by apertures, general formulation and application for radar cross section and antenna computation, in: International Symposium on Antennas, Proceedings Nice 2004, pp. 341–346

[24] P. Soudais, A. Barka, Subdomain method for collaborative electromagnetic computation, Journées Scientifiques de l'ONERA, 23 March 2005, in press

[25] A. Barka, G. Bobillot, La factorisation : une nouvelle approche pour une modélisation efficace des SER : application aux manches à Air, Rapport Technique ONERA 12/3721 N, March 1995

[26] A. Barka; P. Soudais; D. Volpert Scattering from 3D cavities with a plug and play numerical scheme combining IE, PDE and modal techniques, IEEE Trans. Antennas Propagat., Volume AP-48 ( May 2000 ), pp. 704-712

[27] D. Clair, M. Godinat, J. Tourneur, F. Molinet, C. Louet, SARGASSES : Programme de calcul interactif, Simulation Assistée et Représentation Graphique d'Antennes sur Structures, in: Journées Internationales de Nice sur les Antennes (JINA 86), Nice, 4–6 November 1986, pp. 78–81

[28] R.J. Marhefka, W.D. Burnside, Numerical electromagnetic code-basic scattering vode (version 2), Part I: user manual, Report 712242-14, The Ohio State University ElectroScience Laboratory, Columbus, OH, December 1982

[29] J.Y. Suratteau, Présentation d'un logiciel de calcul du champ électromagnétique interagissant avec un objet de forme complexe : le logiciel PROMETHEE, Journées Internationales de Nice sur les Antennes (JINA 88), Nice, November 8–10, 1988, pp. 66–69

[30] C. Calnibalosky, G. Leflour, P. Lobat, J-M. Lombard, J-M. Quadri, N. Vukadinovic, Electromagnetic Calculation of a whole aircraft by the code SPECTRE, in: Journées Internationales de Nice sur les Antennes (JINA 90), Nice, November 13–15, 1990, pp. 83–87

[31] P.E. Hussar; V. Oliker; H.L. Riggins; E.M. Smith-Rowland; W.R. Klocko; L. Prussner An implementation of the UTD faceted CAD platform models, Antennas and Propagation Magazine, Volume 42 ( April 2000 ) no. 2, pp. 100-106

[32] H.J. Matmesa, S. Laybros, T. Volpert, P.F. Combes, P. Pitot, FERMAT: A high frequency EM scattering code from complex scenes including objects and environment, in: PIERS Proc. Conf., Pisa (Italy), March 2004

[33] G. Ramière, Couplage de méthodes asymptotiques et de la technique du lancer de rayons pour le calcul du champ rayonné par des objets métalliques 3D complexes, Thèse de l'Université Paul Sabatier, Toulouse, September 2000

[34] S. Laybros, Utilisation du lancer de rayons pour le calcul de l'interaction d'un rayonnement électromagnétique avec des objets complexes métalliques et diélectriques, Thèse de l'Université Paul Sabatier, Toulouse, October 2004

[35] J. Pérez; F. Saez de Adana; O. Gutiérrez; I. Gonzalez; M.F. Catedra; I. Montiel; J. Guzman FASANT: Fast computer tool for the analysis of on-board antennas, IEEE Antennas Propagat. Magazine, Volume 41 ( April 1999 ) no. 2

[36] J.P. Adam, Y. Beniguel, UTD asymptotic code used for antenna implementation on electric large structures, in: Proceedings of the 11th International Symposium on Antennas Technology and Applied Electromagnetics, St Malo, June 15–17, 2005

[37] P.H. Pathak; W.D. Burnside; R.J. Marhefka A uniform GTD analysis of the diffraction of electromagnetic waves by a smooth convex surface, IEEE Trans. Antennas Propagat., Volume AP-23 ( September 1980 ) no. 5, pp. 631-642

[38] P.H. Pathak; N. Wang; W.D. Burnside; R.G. Kouyoumjian A uniform GTD solution for the radiation from sources on a convex surface, IEEE Trans. Antennas Propagat., Volume AP-29 ( July 1981 ) no. 4, pp. 609-622

[39] H.T. Chou; P.H. Pathak; M. Hsu Extended uniform geometrical theory of diffraction solution for the radiation of antennas located close to an arbitrary, smooth, perfectly conducting, convex surface, Radio Sci., Volume 32 ( July–August 1997 ) no. 4, pp. 1297-1317

[40] F. Molinet, Edge excited waves on convex and concave structures: A review, IEEE Antennas Propagat. Magazine, October 2005, in press

[41] I.V. Andronov; D. Bouche Asymptotics of creeping waves on a strongly prolate body, Annales des Télécommunications, Volume 49 (1994) no. 3–4, pp. 205-210

[42] W.D. Burnside; R.J. Marhefka Antenna Hand Book (Lo; Lee, eds.), Van Nostrand, Princeton, NJ, 1988

[43] R.D. Graglia, G. Lombardi, Vector functions for singular fields on curved triangular elements, truly defined in the parent space, 2002 IEEE AP-S/URSI Conference, San Antonio (Texas), June 15–22, 2002

[44] E. Jorgensen, J. Volakis, M.O. Breinbjerg, Higher order hierarchical Legendre basis functions for iterative integral equation Solvers with curvilinear surface modeling, 2002 IEEE AP-S/URSI Conference, San Antonio (Texas), June 15–22, 2002

[45] O. Cessenat; B. Després Application of an ultra-weak variational formulation of elliptic PDE to the 2D Helmholtz problem, SIAM J. Numer. Anal., Volume 35 (1998) no. 1, pp. 255-299

[46] T. Huttunen; P. Monk; J. Kaipio Computational aspects of the ultra-weak variational formulation, JCP, Volume 182 (2002), pp. 27-46

[47] G. Tiberi, A. Monarchio, G. Manara, R. Mittra, Hybridizing asymptotic and numerically rigorous techniques for solving electromagnetic scattering problems using the characteristics basis functions (CBFs), in: 2003 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, URSI Dig., Columbus, OH, June 22–27, 2003, p. 519

[48] G. Tiberi, S. Rosace, A. Monarchio, G. Manara, R. Mittra, Electromagnetic scattering from large facted conducting bodies by using analytically-derived characteristic basis functions, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, October 2003

Cited by Sources:

Comments - Policy