CN100478692C - 确定辐射装置的场辐射水平的方法 - Google Patents

Abstract

确定辐射装置的场辐射水平的方法，包括确定辐射装置的远场辐射特性，提供辐射装置的模型，该模型近似所确定的远场辐射特性，并且对于空间中的至少一个点，根据该模型来确定近场辐射特性。

Description

确定辐射装置的场辐射水平的方法

技术领域

本发明涉及辐射装置(radiating device)，例如天线。

背景技术

为了健康和安全的原因，必须精确地监测和控制天线的辐射水平。管理机构要求射频无线电操作员确保辐射水平遵守当地相关的健康和安全标准，这需要进行关于辐射水平和相关天线周围的暴露极限(exposure limits)的技术数据收集。

现有的辐射估计技术将天线特性近似成一个点源，并使用远场(far field)理论来计算天线的辐射水平。

本发明的目标是提供一种确定例如天线等辐射装置的辐射水平的改进方法。

发明内容

为了解决前述技术问题，本发明提供一种确定辐射装置的场辐射特性的方法，包括确定辐射装置的远场辐射特性，基于所述远场辐射特性，确定所述辐射装置的模型，以及对于空间中的至少一个点，根据所述模型来确定近场辐射特性。

另外，根据本发明的一个方面，提供了一种确定辐射装置的场辐射水平的方法，包括下列步骤：确定辐射装置的远场辐射特性，提供辐射装置的模型，该模型近似所确定的远场辐射特性，和根据所述模型为空间中的至少一个点确定近场辐射特性。

优选地，选择所述模型来近似近场辐射特性。

优选地，所述方法包括确定近场和远场辐射之间的边界的步骤。

所述方法还包括根据模型确定近场辐射密度的步骤。

优选地，所述方法包括确定空间中多个位置上的近场辐射功率密度水平的步骤。应该了解，空间包括占用(物理结构存在)或未占用的空间和辐射装置周围的任何特定区域。

优选地，所述方法包括从两个正交的远场辐射图得到辐射装置的辐射图或增益特性的步骤。

优选地，根据文献数据确定辐射图或增益特性，例如根据可在手册中得到的文献数据。

优选地，所述方法包括在两个正交的远场辐射图中确定3dB射束宽度的步骤。

优选地，所述方法包括确定该装置的物理特性，以确定远场辐射特性。

优选地，所述方法包括提供模型的步骤，该模型包括由多个辐射源代表所述装置。

根据本发明的一个实施方式，辐射装置包括导线天线。

所述方法可以包括提供模型的步骤，该模型包括估计形成导线天线的每个导线单元的长度和间隔。

每个辐射源可以包括一个导线单元。

优选地，所述方法包括计算辐射装置的所有导线单元之间的相互耦合。

优选地，所述方法包括组成(assemble)辐射源的N乘N的阻抗矩阵。

所述方法优选地包括计算每个导线单元的电压。

所述方法还可以包括确定每个导线单元中的电流。

优选地，所述方法包括用电压列向量(寄生单元为零，驱动单元为1伏特)乘阻抗逆矩阵。

优选地，所述方法包括将一个或更多的Huygen′s(惠更斯)小波点源分配给每个导线单元。

所述方法还可以包括根据确定的电流计算每个点源的幅值和相位。

优选地，所述方法包括假定每个导线单元具有sin(θ)关系式((θ)是根据单元的方向测量的)，以及在近场辐射图中对每个点源对空间中每个点的贡献求和。

优选地，在计算每个点源的贡献时，所述方法包括近场和远场效应。

优选地，所述方法包括通过供给辐射装置的功率，依比例决定(scaling)在空间中每个点处确定的场强。

优选地，所述方法包括辐射装置，这些辐射装置是八木宇田天线、对数周期天线、单极单天线或相控阵天线、偶极天线、菱形天线和其它规则或非规则导线天线。

优选地，所述方法包括为长度小于从辐射装置发出的辐射波长的一半的每个导线单元提供单个点源。辐射装置的点源数量优选地是二分之一波长的倍数，即，辐射装置长度除以波长之后的两倍。

优选地，所述方法包括提供各种影响的比例因子，这些影响例如是天气、障碍物、其它天线、金属结构和介质结构或影响辐射特性的其它因素。

根据本发明的另一个实施方式，辐射装置是孔径天线。

优选地，所述方法包括根据射束宽度特性确定孔径天线的物理特性。

所述物理特性包括物理尺寸、阻抗、孔径尺寸和场分布。

提供模型的步骤可以包括由至少一个Huygen′s小波源代表所述孔径。

优选地，所述方法包括在空间中每个点处对来自每个小波源的贡献求和的步骤。

优选地，所述方法包括在空间的三维坐标系上，例如矩形、圆形或极坐标系，对来自每个小波源的贡献求和。

优选地，所确定的来自每个小波源的贡献包括功率、电压和电流。

优选地，使用已知的功率密度公式来确定空间中每个点处的功率密度水平，例如在下文中更详细描述的公式。

根据本发明另一个方面，提供了一种估计电磁辐射的辐射功率密度的方法，包括下列步骤：识别辐射装置，把辐射装置表示为多个放射电磁辐射的点源，对于每个点源估计空间中多个位置处的功率密度水平，并通过对每个点源对空间中各个位置的贡献求和，来确定每个位置处的总功率密度水平。

优选地，所述方法包括显示多个位置的功率密度水平。

优选地，所述方法包括以曲线图、表格、图形、图片或其它形式显示功率密度水平。

所述方法可以包括选择适合于两维或三维坐标系的位置。

优选地，点源包括任何需要至少两个部分来代表辐射装置的部分。

优选地，所述方法包括在估计其它位置的功率密度水平之前，对于代表辐射装置的所有点源，对在一个位置确定的功率密度水平求和。

可替换地，所述方法也可以包括估计一个点源的多个位置的功率密度水平，存储所估计的功率密度水平，然后估计并存储另一个点源的多个位置的功率密度水平，在每个位置处对所存储的每个点源的功率密度水平求和，以计算每个位置的合成功率密度水平。

优选地，所述方法包括识别多个辐射装置。

所述方法可以包括将每个辐射装置表示为多个点源。

优选地，所述方法包括计算每个辐射装置的总功率密度水平。

所述方法可以包括在每个位置处计算每个点源的总功率密度水平，并对在每个位置算出的功率密度水平求和。

优选地，每个点源之间的距离由空间中的点之间的距离确定。因而在矩形坐标系中，网格点之间的间隔将确定点源之间的间隔，空间中相邻的点之间的距离越近，导致辐射装置的点源越多。

优选地，被测量的电磁辐射是射频电磁辐射。然而，包含其它辐射。

优选地，所述方法包括计算辐射装置的远场和近场渐缩(tapering)特性，这可以使用预定公式或场测量(field measurement)来实现。

优选地，测量的误差是射频误差。

优选地，所述方法包括计算每个位置的远场和近场渐缩特性。

优选地，远场Pd公式是

Gd＝关于分析角偶极的天线增益

天线功率＝发送到天线的损耗项(lossy items)之后的功率

Di＝离天线的距离

优选地，

如果孔径＞1λ

近场计算-定义断点是场距离的0.16倍。

Pd_paraNF＝41.3*Pd(para-抛物线孔径)

断点＝.16Dff-抛物线孔径

    ＝.25Dff-矩形孔径

Pd_RectNF＝Pd

根据本发明另一个实施方式，提供了一种确定辐射装置的场辐射水平的方法，包括下列步骤：确定辐射装置的远场辐射特性，确定近场和远场辐射之间的边界，确定空间中一点相对于辐射装置上最近点的位移，并计算空间中该点处的功率密度水平。

优选地，用最近点法(closestpoint method)确定辐射装置的场辐射水平的方法包括下面的步骤，即以这样的方式确定辐射装置的特性，该方式相似于结合本发明任一前述方面或实施方式所使用的方式。

优选地，功率密度水平由前述用于Pd的公式确定。

优选地，根据修正因子修改功率密度公式，修正因子作为空间中的点距离辐射装置的位移的函数而影响辐射装置的增益和辐射的退化。

所述方法可以包括将辐射装置建模为多个点源。

优选地，通过确定空间中X、Y、Z向量来确定位移。

优选地，用空间中的点的方位角和仰角来确定位移。

优选地，所述方法包括在空间中确定辐射装置的方位以确定下倾角(down tilt)。

所述方法可以包括将位移中的任何偏移确定为该辐射装置的下倾角结果的步骤。

优选地，所述方法包括确定空间中的点是否处于辐射装置的宽度平面或长度平面或高度之外的步骤。

优选地，所述方法包括下面的步骤，即将天线孔径的有效减小计算为空间中的点距离辐射装置的位移的结果。

附图说明

现在将参考附图仅仅通过例子来描述本发明的优选实施方式。

图1表示确定空间中一点的功率密度的方法的示意图，该功率密度用最近点算法确定；

图2表示执行空间中一点的功率密度的方法的示意图，该功率密度用孔径天线的Hyugen′s小波法确定。

图3表示使用传统建模技术的测试天线的暴露极限边界；

图4表示使用最近点算法技术的同一测试天线的暴露极限边界；

图5表示图3中所示的测试天线暴露极限边界的功率密度图；和

图6表示根据本发明的最近点算法而建模的测试天线的功率密度图。

具体实施方式

将参考三个不同的实施方式描述执行本发明的最佳方式。

天线通常属于两个主要类别，其中之一是导线天线，另一个是孔径天线。

根据本发明优选实施方式的确定孔径天线的功率密度辐射水平的方法可以包括最近点算法技术或多点源技术。

功率密度计算

如Microwave Engineers Handbook，Volume 2，Artech House 1971 to Sadd，Theodore[1]中所述，估计从天线发射的功率密度的最简单方式是将远场功率密度公式应用于天线的点源表示。

为了实现足够的精度，必须使用厂商的远场增益图，这些图表明了在水平和垂直平面中所有方向(即0到360°)的天线远场增益特性。远场功率密度公式如下给出

其中Pd是所估计的功率密度，Gd是关于分析角偶极的天线增益，天线功率是发送到天线的损耗项之后的功率，损耗项例如是信号馈线(feeder)，Di是离天线的距离。公式的单位是瓦/平方厘米。

发明者观察到该远场估计相当大地高估了天线周围的近场区域中的功率密度。根据观察和理论，根据本发明一个实施方式，研究了一种算法用来确定远场离开天线有多远(因此，此时远场功率密度公式变得精确)。在下文中对该算法进行更详细的描述。

如果天线的有效孔径小于工作频率时的1个波长，那么：

如果有效孔径大于或等于工作频率时的1个波长，那么：

其中Aea是天线的有效孔径。

近场计算

为了补偿刚才使用远场计算的过高估计的影响，必需确定由孔径的有限尺寸引起的近场中增益上的减小。根据对于均匀线光源和锥形照射孔径天线的功率密度观察，当计算在近场和远场之间改变模式的情况下，必须确定一般的断点距离。相关的锥形(taper)方法能用来计算近场辐射水平。抛物面天线的断点被确定为远场距离的0.16倍。抛物面天线的锥形方法被定义为：

Pd_抛物面NF＝41.3*Pd

其中Pd计算中使用的Di就是D_远场，而与到天线的距离多近无关。矩形孔径天线的断点被确定为远场距离的0.25倍。矩形天线的锥形方法被定义为：

Pd_矩形NF＝Pd

其中在Pd中使用的Di²被Di倍的断点距离代替，这有效地使功率密度在近场中以1/Di而不是1/Di²(这发生于远场中)的速率衰减。

能看到这些锥形方法在近场中仍估计过高，但程度要小得多。该少量的过高估计将一些容差引入计算中，以满足可能具有不同性质的天线，该不同性质不同于所示出的性质。

孔径天线

在能为天线确定功率密度水平之前，必需识别天线的关键特性。这使天线能被精确地建模。

根据一个实施方式，能根据越过孔径的电场的傅立叶变换来确定远场辐射图。当大部分辐射集中在高度定向射束中时，那么当在主射束方向附近观察时，在天线附近没有任何明显的衍射图。也就是说当观察点限制在非阴影区域——在辐射方向上变化的孔径尺寸时，来自孔径中任何点源的辐射与来自孔径中任何其它点源的辐射移动几乎相同的距离，能应用简单的反平方律，并获得对辐射水平的良好近似。在阴影中，即在主射束方向上变化的孔径之外，衍射效应发生，场被削弱。

光学等效物是落在不透明材料中的不规则孔上的光的平行射线。当非常靠近不透明材料观察时，光束的形状与不规则孔相同(菲涅耳(Fresnel)区域)。当远离不规则孔观察时，图像是圆形的(弗朗霍费(Fraunhofer)区)。

为了在仅仅给出两个正交辐射图和供给孔径天线的功率的情况下计算近场和远场辐射密度，必须根据这些辐射图来确定机械结构。一旦知道大致的孔径分布，就由跨越孔径的点辐射体(“Huygen′s小波源)来建立天线的模型。

根据最近点算法方法，在天线长度和宽度上实现天线的全三维分析，最近点算法阐明如下：

1.找到分析点的位移和辐射单元的中心。

2.将天线孔径的有效减小计算为位移的结果。

3.找到天线中心和分析点之间的位移向量x、y和z尺寸值。

4.在三维空间中以天线的机械下倾角来旋转位移向量(从而相对于天线表面对该分析进行计算)。

5.找到方位角(从天线孔径面的中心到X-Y平面上的分析点在XY平面上的角度)；

6.找到仰角(从天线孔径面的中心到Z平面上的分析点在Z平面上的角度)；

7.获得沿天线高度平面行进的分析高度(通过被旋转位移的z维获得)；

8.根据旋转的位移，获得沿天线宽度平面的分析距离(通过被旋转位移的xy平面向量沿着天线表面的分量来获得)

9.如果偏移(分析位移高度+电下倾角补偿在+/-1/2有效天线高度之内，则新源的Z位置被设定成天线的中心高度+下倾偏移的Z分量，

否则，新的Z位置被设定成偏移*1/2有效天线高度的表示(sign)；

10.如果天线宽度平面偏移在＝/-1/2有效天线宽度之内，那么新源的X和Y位置被设定成天线的中心X和Y位置+沿着天线表面的宽度偏移+下倾仰角偏移的X和Y分量，

否则，新的X和Y位置被设定成偏移*1/2有效天线宽度的表示(sign)。

然后，新的天线源位置被用于在该分析点的计算中。

总之，最近点算法为近场/远场辐射边界之内或之外的空间中的任何点确定上述内容，空间中的该点处的功率密度水平仅仅相对于孔径天线上的一个点来测量。该点是根据位移数据的最近点，该位移数据通过测量空间中的点的X、Y、Z坐标以及仰角与方位角来确定。对于空间中的每个点，孔径的辐射点仅仅被移位到最合适的位置，以变成天线上到空间中该点的最近点。

参考图1，对于位于远场10中的空间中的点，能仅仅通过用前面高亮的功率密度公式来进行功率密度计算。然而，对于边界11内的近场12中的点，必须应用锥形函数精确地确定功率密度水平。当离天线的距离增大时，该锥形函数在长度和宽度上线性地减小有效孔径尺寸，直到达到远场距离为止，在该点，最近点算法并回到点源分析中。近场计算基于修正因子，该修正因子包含在下文中所述的功率密度近场公式中。

最近点算法还考虑到天线的方位，该方位包含天线的倾角。

对于在天线孔径表面之外的空间中的任何点13，最近点源在孔径14的周长上。

作为最近点算法方法的代替，功率密度水平能用累积(accumulated)点源方法来确定。

因而如图2中所示，空间中的点15具有一个功率密度水平，其由天线孔径17上的点源16的累积效果确定。

如同关于最近点算法方法那样，首先必须根据两个正交的远场辐射图建立孔径天线的模型，然后结合关于结构物理尺寸的数据来计算天线孔径的尺寸。

一旦确定了孔径的尺寸和形状，则由若干Huygen′s小波源来表示孔径。可以通过对长度小于半个波长的每个单元使用单个点源，来确定小波源的数量。对于长度大于半个波长的单元，点源的数量与该单元中半个波长的数量成比例地增加。

作为例子对八木宇田(Yagi-Uda)型天线进行讨论。使用两个正交辐射图中的3dB射束宽度，来获得八木宇田天线中单元数量的估计，然后用标准配置来表示天线。

用每个点源对天线附近空间中每个点的贡献的总和来确定近场和远场强度。从而如图2中所示，将来自每个点源16的贡献结合起来，以提供点15处的功率密度水平。

如同关于最近点算法那样，根据供给天线的功率来依比例决定场强。

暴露极限比较

以后的附图显示了测试天线的平面(水平的)和高度(垂直的)视轴的现有和新计算技术的暴露极限边界(对于红区和黄区分别用2和10W/m²)，该测试天线为Argue CTA610D-R。注意，在传统的全建模方案中，天线被识别为位于其相位中心的点源，参见图3。

功率密度比较

以后的附图表示测试天线的现有和新算法的功率密度图形表示，该测试天线类型为Decibel DB580y(全向)。注意，在传统的全建模方案中，天线被识别为位于其相位中心的点源，参见图4。

导线天线

Huygen′s小波方法也能应用于导线天线。这种天线能分类为八木宇田天线、对数周期天线、单极和偶极相控阵天线和菱形天线。对于长度小于半个波长的每个单元，用单个点源来计算场。对于长度大于半个波长的单元，点源的数量与该单元中半个波长的数量成比例地增加。

如同关于孔径天线那样，在能正确地建立导线天线的模型之前，必需在两个正交的辐射图中获得3dB带宽。一旦这被完成，就可以作出天线中单元数量N的估计。

单元数量等于：

$N=\frac{2l}{\mathrm{\λ}},$ 其中1是天线的长度，λ是波长。

利用该单元数量，能确定每个导线单元的长度和间隔。

然后该方法需要计算阵列中所有单元之间的相互耦合，并且组成N×N阻抗矩阵。

为了获得每个单元中的电流I，用电压V的列向量(寄生单元为零，驱动单元为1伏特)乘阻抗Z的逆矩阵。

这给出了确定n个单元阵列的电流的例子。

然后，Huygen′s小波点源被分配到天线中每个单元的当前位置。点源的幅值和相位与先前计算的电流成正例。

假定每个导线单元具有sin(θ)关系式(θ是根据单元的方向测量的)，每个点源的贡献被加到天线附近的空间中的每个点上。这既包括近场影响又包括远场影响。因而在确定空间中的点的总功率密度水平的过程中，每个点源对空间中该点的效应都被计算。这相似于在Huygen′s小波法中使用的方法，Huygen′s小波法用于孔径天线算法。

也取决于供给天线的功率，来按比例决定场强。

金属和电介质支承结构的影响能使用镜像原理通过点源来建模。这些镜像加入模型中的点源的阵列，并且如以前那样进行场强计算。

在其优选形式中，本发明的上述实施方式由计算机软件实现。优选地，软件被构造成存储关于不同天线类型的数据。该数据包括具有若干不同标准格式的厂商的天线方向图文件。这样就能将建模的天线与现有数据进行比较。

如果建模的天线不符合现有的厂商天线方向图文件，该软件能接收关于天线方向图的测量数据，并创建合适的文件，该文件能被添加到用来存储天线方向图文件的主数据库中。

所存储的典型天线方向图属性包括图类型、该图的频率、系统损耗、分辨率、线性平均、图形剪切(cut)、图类型、电调倾斜和有效增益。

除了存储基本天线方向图的上述文件之外，可以包括关于水平射束宽度、垂直射束宽度和前后比的数据。优选地，一旦天线的主特性被描述出来，就能根据上述方法之一建立天线的模型。然后能获得功率密度图形或直观表示，并且该软件能用不同的颜色加亮近场和远场辐射图。在图3到6中，这些不同以黑色和白色加亮。

优选地，该软件能选择若干分辨率选项，以便能改变功率密度图的分辨率。

同样优选地，该软件能记录安全功率密度水平，并将为近场和远场辐射产生的图像限制在安全值。能产生仅仅表示有害水平的辐射的图。

Claims (32)

1.一种确定辐射装置的场辐射特性的方法，包括确定辐射装置的远场辐射特性，基于所述远场辐射特性，确定所述辐射装置的模型，以及对于空间中的至少一个点，根据所述模型来确定近场辐射特性，其中，所述方法包括下列步骤：

把所述辐射装置表示为多个放射电磁辐射的点源，

对于每个点源估计空间中多个位置处的功率密度水平，

并通过对每个点源对空间中各个位置的贡献求和，来确定每个位置处的总功率密度水平。

2.如权利要求1所述的方法，包括确定所述辐射装置的近场和远场辐射之间的边界的步骤。

3.如权利要求1或2所述的方法，包括根据所述模型确定近场辐射密度的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，包括确定空间中多个位置上的功率密度水平的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，包括在两个正交的远场辐射图中确定所述辐射装置的射束宽度特性的步骤。

6.如权利要求5所述的方法，包括在两个正交的远场辐射图中确定3dB射束宽度的步骤。

7.如权利要求6所述的方法，包括确定所述辐射装置的物理特性以确定所述远场辐射特性的步骤。

8.如上述权利要求1所述的方法，其中，所述辐射装置包括导线天线。

9.如权利要求8所述的方法，其中确定模型的步骤包括用多个导线单元表示所述辐射装置。

10.如权利要求9所述的方法，包括估计形成所述辐射装置的每个导线单元的长度和间隔的步骤。

11.如权利要求10所述的方法，其中，每个导线单元被表示为辐射源。

12.如权利要求11所述的方法，包括计算所有导线单元之间的相互耦合的步骤。

13.如权利要求12所述的方法，包括组成N乘N的阻抗矩阵、并计算每个单元的电压以确定每个单元中的电流的步骤。

14.如权利要求13所述的方法，包括用电压列向量乘阻抗逆矩阵以确定每个单元中的电流的步骤。

15.如权利要求14所述的方法，包括将Huygen′s小波点源分配给每个单元和根据所确定的电流来计算每个小波点源的幅值和相位的步骤。

16.如权利要求15所述的方法，包括对每个点源对近场内空间中的每个点的贡献求和的步骤。

17.如权利要求1所述的方法，包括为长度小于半个波长的每个单元提供单个点源的步骤。

18.如权利要求1所述的方法，其中，所述辐射装置是孔径天线。

19.如权利要求18所述的方法，包括确定所述辐射装置的物理特性和提供模型的步骤，所述模型包括由至少一个Huygen′s小波源表示所述孔径。

20.如权利要求19所述的方法，包括对每个小波源对空间中每个点的贡献求和的步骤。

21.如权利要求20所述的方法，其中，使用下列公式来确定空间中任何点处的功率密度水平：

其中，

Gd＝关于分析角偶极的天线增益

Di＝离天线的距离

22.如权利要求1所述的方法，包括显示多个位置的所述功率密度水平的步骤。

23.如权利要求22所述的方法，包括对于表示所述辐射装置的所有点源、对在每个位置处确定的功率密度水平求和的步骤。

24.如权利要求23所述的方法，包括为每个位置计算远场和近场渐缩特性的步骤。

25.如权利要求24所述的方法，包括下列步骤：对于远场辐射使用功率密度公式

其中，

Gd＝关于分析角偶极的天线增益

Di＝离天线的距离

来计算空间中的一点处的所述功率密度水平，并且对于近场辐射修正该远场功率密度公式，该修正影响天线增益、发送到天线的功率和从天线到点源的距离。

26.如权利要求1所述的方法，包括下列步骤：

确定近场和远场辐射之间的边界，

确定空间中一点相对于所述辐射装置上最近点的位移，

并计算空间中该点处的功率密度水平。

27.如权利要求26所述的方法，包括将所述辐射装置建模为多个点源的步骤。

28.如权利要求27所述的方法，包括应用最近点算法来确定空间中每个点处的所述功率密度水平的步骤。

29.如权利要求28所述的方法，其中，所述最近点算法确定空间中的点距离所述辐射装置上最近点的位移。

30.如权利要求29所述的方法，其中，所述最近点算法计算从空间中的点到所述辐射装置上最近点的X、Y、Z位移向量，并且计算到所述最近点的方位角和仰角。

31.如权利要求26所述的方法，其中，所述最近点算法确定辐射装置的方位，并且依比例决定根据所述辐射装置的方位确定的所述功率密度水平。

32.如权利要求31所述的方法，其中，所述最近点算法使用所述功率密度公式来计算所述功率密度水平，并且如果空间中的点处于近场中，则并入任何可适用的修正因子。

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