CN102539940A - 平面相控阵列天线的近场电磁安全分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种系统平台上平面相控阵列天线的近场电磁安全分析方法，通过计算相控阵天线辐射的近场电磁环境从而分析系统平台上平面相控阵天线附近人员和设备的电磁安全性。平面相控阵天线的近场由每个有源(激励)阵元在阵中的辐射场叠加而获得。平面阵列天线的近场区域相对于阵元来说，已经是远场区域。求解出每个阵元在阵中的辐射远场后，叠加并校正后即可获得阵列天线的近场。根据近场电场数据与电磁安全性标准规定的电场限值比较，来判断系统平台上处于相控阵天线近场的人员和设备的电磁安全性。本方法的每一步都基于严格的理论，理论上的严谨性保证了计算结果的精确性，从而能够精确分析处于天线近场区域的人员和设备的电磁安全性。

Description

平面相控阵列天线的近场电磁安全分析方法

技术领域

本发明属于天线与电磁兼容技术领域，尤其涉及一种系统平台(如船舶等)上平面阵列天线的近场电磁安全分析方法。

背景技术

在安装相控阵雷达天线的系统平台上，相控阵天线辐射的近场电磁环境(通常用电场场强

描述)会对平台上的人员、设备等带来潜在的电磁安全性问题。一些电磁安全性标准上规定了人员、不同类型设备的电磁安全的电场场强的安全限值，小于限值才能认定为安全。相控阵天线辐射的近场电场场强可以通过试验测试获得，同时也可以通过建立计算模型、编制程序借助计算手段获得，后一种方法有更大的优越性。本发明给出了一种通过建立平面相控阵天线的近场电磁环境计算模型、并根据模型的计算结果来实现对系统平台上人员和设备的电磁安全性进行分析的新方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种系统平台上平面相控阵列天线的近场电磁安全分析方法，通过计算平面阵列天线的辐射近场，从而分析处于近场区域的人员和设备等的电磁安全性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：平面相控阵列天线的近场电磁安全分析方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)求解有源阵元天线在阵中的辐射场：

取以某一阵元天线为中心的±2λ范围的小阵列，以小阵列中心单元为激励阵元，即有源阵元，其它阵元接匹配负载，这样的小阵列的辐射场视为中心阵元天线在无限阵中受到激励时的辐射场，小阵列的辐射波瓣等价于无限阵中单元波瓣，以代替有源阵元在实际阵列中的波瓣；λ为电磁波的真空波长；

将有源阵元天线的辐射场用三维直角坐标表示；

对采用一定功率激励的阵元远场的电场强度

有r为观察点到原点的距离，观察点位置向量为

为观察点方向的单位向量。对

方向的观察点，

为常量；

用直角坐标表示

的不同分量：

式中E_x、E_y、E_z均为复数，包含实部和虚部；

当

时，

位置的电场场强为

其中δ为有源阵元的相位，由天线的波束方向确定；k为波矢，k＝2π/λ；由上式可见，只要确定了某一方向的

可很方便的求出该方向上任意位置的电场场强；

2)给有源阵元的相位赋值：

(2)式中的δ为有源阵元的相位，当确定了整个平面阵列天线的波束方向后，δ即被赋值；

平面阵列天线包括数千个阵元，相位赋值后第i个有源阵元在观察点的电场为

其中E_ix、E_iy、E_iz为x、y、z方向的电场分量，均为复数；

磁场为

其中H_ix、H_iy、H_iz为x、y、z方向的磁场分量，满足

为观察点的单位方向向量，

η为自由空间波阻抗；

3)场强叠加：

设平面阵列天线阵元数量为N，合场强为

电场和磁场幅度分别为

4)场强校正：

用平面阵列天线辐射的功率来对场强进行校正，使施加激励的总功率与天线辐射场的总功率相等；

5)分析判断处于平面相控阵天线近场的人员和设备的电磁安全性：

根据前述过程计算出相控阵天线在系统平台上任意位置产生的电场场强，与系统平台上电磁安全性标准规定的人员和不同类型设备的安全限值比较，即可判断其电磁安全性。

按上述方案，所述的步骤4)利用坡印亭矢量积分求出平面阵列天线辐射的总功率为：

天线实际工作时辐射的总功率P为已知量；

根据功率进行场强的校正，校正后的电场和磁场为

其中k′为中间参数，

$k^{\′}=\sqrt{\frac{P}{P_1}}---\left(13\right).$

按上述方案，所述的步骤1)小阵列的各阵元间距为λ/2，小阵列为9×9呈矩阵排列的阵元阵列。

本发明的工作原理为：平面阵列天线的近场由每个有源(激励)阵元在阵中的辐射场叠加而获得。平面阵列天线的近场区域相对于阵元来说，已经是远场区域。求解出每个阵元在阵中的辐射远场后，叠加并校正后即可获得相控阵天线的近场。

本发明的有益效果为：

1、精确性高：本方法的每一步都基于严格的理论，理论上的严谨性保证了计算结果的精确性，从而能够精确判断近场电磁安全。

2、适应性好：本方法不依赖于平面阵列天线的阵元类型，基于任何类型阵元的平面阵列天线均可采用本方法计算其近场数据。

3、高效性强：本方法不依赖于阵元的数量，即使数万个阵元的平面阵列天线也能快速(数分钟内)获得结果。

附图说明

图1为本发明一实施例的流程图。

图2为9×9阵元天线的局部阵列。

图3为平面阵列天线波束方向的电场场强随距离的变化曲线。

具体实施方式

图1为本发明一实施例的流程图，它包括以下步骤：

1)求解阵中有源阵元的辐射场

对一个阵元天线的辐射有影响的只是位于它附近的若干阵元天线，因此可用一个小阵列来求解有源阵元天线在阵中的辐射场。

取以某一阵元为中心的±2λ范围的小阵列(小阵列的长和宽均为4λ，由于阵元间距通常约为λ/2，因此小阵列约为9×9排列)，这样的小阵列中的辐射场可以等价于无限阵中阵元天线的辐射场，小阵列的辐射波瓣等价于无限阵中单元的辐射波瓣，可以等价于有源阵元天线在实际阵列中的波瓣。

对9×9排列的小天线阵列，用基于有限元法的电磁场计算软件Ansot HFSS来计算其辐射场。以小阵列中心单元为激励阵元，其它阵元接匹配负载，在软件中对小阵列进行电磁建模，对中心阵元施加单位功率即1W的激励；λ为天线辐射的电磁波在真空中的波长。

为便于阵元天线辐射场的叠加，用三维直角坐标系表示阵元天线的远场辐射场，对采用一定功率激励的阵元远场，因为

r为观察点到原点的距离，观察点位置向量为

为观察点方向的单位向量。对

方向的观察点，

为常量；

用直角坐标表示的不同分量：

式中E_x、E_y、E_z均为复数，包含实部和虚部；

当

时，

位置的电场场强为

其中δ为有源阵元的相位，由天线的波束方向确定；k为波矢，k＝2π/λ。由上式可见，只要确定了某一方向的

可很方便的求出该方向任意位置的电场场强；

用功率为1W的激励源激励9×9小阵列的中心阵元，用Ansoft HFSS软件求解

作为阵元的标准辐射场，根据(2)式求得任意位置的场强。

2)给有源阵元的相位赋值。

(2)式中的δ为有源阵元的相位，当确定了整个平面阵列天线的波束方向后，δ即被赋值。

平面阵列天线通常包括数千个阵元，相位赋值后第i个有源阵元在观察点的电场为

其中E_ix、E_iy、E_iz为x、y、z方向的电场分量，均为复数；

磁场为

其中H_ix、H_iy、H_iz为x、y、z方向的磁场分量，满足

为观察点的单位方向向量，

η为自由空间波阻抗；

3)场强叠加：

设平面阵列天线阵元天线数量为N，其合场强为

电场和磁场幅度分别为

4)场强校正

计算时施加激励的数值总功率与天线实际辐射的总功率不等，因此必须进行场强校正，使二者相等。用平面阵列天线辐射的功率来对场强进行校正。

前面已求出在每个阵元为1瓦功率激励时，平面阵列天线任一点的电场和磁场。借助坡印亭矢量积分求出当每个阵元天线1瓦激励时平面阵列天线辐射的总功率为：

天线实际工作时辐射的总功率P通常为已知量。根据功率进行场强的校正，校正后的电场和磁场为

其中

$k^{\′}=\sqrt{\frac{P}{P_1}}---\left(13\right).$

再根据(9)式求得校正后的场强幅度。

5)分析判断平面阵列天线的近场电磁安全：

根据前述过程可以计算出相控阵天线在系统平台上任意位置产生的电场场强，之后即可对处于相控阵天线近场区域的人员和设备等进行电磁安全性分析。系统平台上的电磁安全性标准规定了人员和不同类型设备的安全限值，如人员的安全标准为200V/m。根据计算的相控阵天线的近场电场与标准要求的限值比较，即可判断系统平台上各位置的电磁安全性情况。对处于相控阵天线近场中的电子设备同样可以进行类似分析，根据与标准要求限值的比较来判断电子设备在系统平台上的电磁安全性情况。

采用前述的方法计算了含2000单元的阵元天线的辐射近场。图2为相控阵中9×9阵元天线的局部阵列的电磁模型，图3为采用前述方法计算出的主波束方向的电场场强。

Claims (3)

1.平面相控阵列天线的近场电磁安全分析方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)求解有源阵元天线在阵中的辐射场：

取以某一阵元天线为中心的±2λ范围的小阵列，以小阵列中心单元为激励阵元，即有源阵元，其它阵元接匹配负载，这样的小阵列的辐射场视为中心阵元天线在无限阵中受到激励时的辐射场，小阵列的辐射波瓣等价于无限阵中单元波瓣，以代替有源阵元在实际阵列中的波瓣；λ为电磁波的真空波长；

将有源阵元天线的辐射场用三维直角坐标表示；

对采用一定功率激励的阵元远场的电场强度

有

r为观察点到原点的距离，观察点位置向量为

为观察点方向的单位向量。对

方向的观察点，

为常量；

用直角坐标表示

的不同分量：

式中E_x、E_y、E_z均为复数，包含实部和虚部；

当

时，

位置的电场场强为

其中δ为有源阵元的相位，由天线的波束方向确定；k为波矢，k＝2π/λ；由上式可见，只要确定了某一方向的

可很方便的求出该方向上任意位置的电场场强；

2)给有源阵元的相位赋值：

(2)式中的δ为有源阵元的相位，当确定了整个平面阵列天线的波束方向后，δ即被赋值；

平面阵列天线包括数千个阵元，相位赋值后第i个有源阵元在观察点的电场为

其中E_ix、E_iy、E_iz为x、y、z方向的电场分量，均为复数；

磁场为

其中H_ix、H_iy、H_iz为x、y、z方向的磁场分量，满足

为观察点的单位方向向量，

η为自由空间波阻抗；

3)场强叠加：

设平面阵列天线阵元数量为N，合场强为

电场和磁场幅度分别为

4)场强校正：

用平面阵列天线辐射的功率来对场强进行校正，使施加激励的总功率与天线辐射场的总功率相等；

5)分析判断处于平面相控阵天线近场的人员和设备的电磁安全性：

根据前述过程计算出相控阵天线在系统平台上任意位置产生的电场场强，与系统平台上电磁安全性标准规定的人员和不同类型设备的安全限值比较，即可判断其电磁安全性。

2.根据权利要求1所述的平面相控阵列天线的近场电磁安全分析方法，其特征在于：所述的步骤4)利用坡印亭矢量积分求出平面阵列天线辐射的总功率为：

天线实际工作时辐射的总功率P为已知量；

根据功率进行场强的校正，校正后的电场和磁场为

其中k′为中间参数，

$k^{\′}=\sqrt{\frac{P}{P_1}}---\left(13\right).$

3.根据权利要求1或2所述的平面相控阵列天线的近场电磁安全分析方法，其特征在于：所述的步骤1)小阵列的各阵元间距为λ/2，小阵列为9×9呈矩阵排列的阵元阵列。

Images