CN102735949A - 基于中远场主波束幅相合成的相控阵局部阵面辐射场快速推演方法 - Google Patents

基于中远场主波束幅相合成的相控阵局部阵面辐射场快速推演方法 Download PDF

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谢大刚
吴楠
王春
温定娥
张炜
黄明亮
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Abstract

一种基于中远场主波束幅相合成的相控阵局部阵面辐射场快速推演方法，属于电磁兼容性预测领域，它包括如下步骤：1）架设相控阵局部阵面和测试天线，使二者主波束对准且极化匹配，测试天线位于相控阵局部阵面的主波束辐射场内、且与相控阵局部阵面中心的距离为R，测试天线的射频输出端接入频谱分析仪；2）相控阵局部阵面以频率f定波束发射，通过测试天线测得距离相控阵局部阵面中心R处场点的场强为E p (f)；3）由式E A (f)=NE p (f)推演得到相控阵全阵在R处产生的场强E A (f)，式中，N为相控阵全阵面与相控阵局部阵面的阵元个数之比。本发明能够根据相控阵局部阵辐射场的模拟实验推演出相控阵全阵的辐射场，其操作快速、简便，工业适用性强。

Description

基于中远场主波束幅相合成的相控阵局部阵面辐射场快速推演方法
技术领域
本发明属于电磁兼容性预测领域，具体地指一种基于中远场主波束幅相合成的相控阵局部阵面辐射场快速推演方法。
背景技术
相控阵具有波束控制精确、扫描速度快、可跟踪多目标等优点，在舰船、飞机等武器平台上获得了广泛的应用。相控阵在正式装备前，都需要进行相应的模拟实验，以测试其性能指标是否满足设计要求。以舰船平台为例，为了验证相控阵等大功率辐射源的布置方案，以满足电磁兼容性及安全性设计要求，需要根据不同的布置方案对相控阵进行移动。由于相控阵规模大，若直接采用全阵面进行模拟实验，无论是从造价成本，还是从更换布置方案时移动的便捷性而言，都具有明显的劣势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于中远场主波束幅相合成的相控阵局部阵面辐射场快速推演方法，能够根据相控阵局部阵辐射场的模拟实验推演出相控阵全阵的辐射场，进而为舰船等武器平台相控阵的电磁兼容性设计及优化布置方案提供技术支撑。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于中远场主波束幅相合成的相控阵局部阵面辐射场快速推演方法，包括如下步骤：
1）架设相控阵局部阵面和测试天线，使二者主波束对准且极化匹配，测试天线位于相控阵局部阵面的主波束辐射场内、且与相控阵局部阵面中心的距离为R，测试天线的射频输出端接入频谱分析仪；
2）相控阵局部阵面以频率f定波束发射，通过测试天线测得距离相控阵局部阵面中心R处场点的场强为Ep(f)；
3）由式EA(f)＝NEp(f)推演得到相控阵全阵在R处产生的场强EA(f)，式中，N为相控阵全阵面与相控阵局部阵面的阵元个数之比。
上述技术方案的所述步骤1）中，架设相控阵局部阵面和测试天线的过程为：架设相控阵局部阵面，粗略估算测试天线的高度和口径指向，使二者主波束方向一致、极化方式相同；测试天线的射频输出端接入频谱分析仪；局部阵面以任意频率定波束发射，微调测试天线的高度、方位角和俯仰角，使频谱分析仪的测试值最大，表明相控阵局部阵面和测试天线的主波束对准且极化匹配。
上述技术方案中，所述测试天线与相控阵局部阵面中心的距离R满足
Figure BDA00001810081800011
式中，D为相控阵天线的最大尺寸，λ为相控阵局部阵面所发射电磁波的波长。
上述技术方案中，所述相控阵全阵面与相控阵局部阵面的阵元个数之比一般满足N≤100较为准确。
由于相控阵主波束内的辐射场近似满足同相合成规律，因此，在在每个阵元馈入功率一致的条件下，主波束内辐射场的场强与阵元个数成正比。因此可以利用上式EA(f)＝NEp(f)、通过相控阵局部阵面在某场点产生的场强推演得到相控阵全阵面在同一场点产生的场强。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：（1）整个方法操作快速、简便，工业适用性强；（2）相控阵局部阵面易搬移、功能灵活可控、成本低，非常适合设计阶段的模拟实验，通过相控阵局部阵面的辐射场快速推演出相控阵全阵面的辐射场，降低了传统方法的成本和操作便利性，可为相控阵全阵面的电磁兼容性和安全性设计提供数据支撑，进而降低相控阵设计的风险，节约设计成本；（3）本方法不仅适用于模拟实验，也同样适用于仿真预测，采用相控阵局部阵面进行全阵面的仿真预测，较传统全阵面的计算，大大降低了计算网格量，可降低对仿真硬件的要求，并提高计算效率。
附图说明
图1为本发明一个实施例中相控阵与测试天线的相对位置示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为某相控阵的辐射场推演值与仿真值对比图；
图中，1—相控阵局部阵面，2—双脊喇叭天线，3—天线支架。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：
如图1和图2所示，本实施例中，相控阵局部阵面1的阵元个数为300个、阵面尺寸为0.2m×0.2m，相控阵全阵面的阵元个数为1200个、阵面尺寸为0.4m×0.4m，相控阵局部阵面1发射频率为X频段典型频率，波束指向为水平方向。本实施例中的测试天线为双脊喇叭天线2，工作频率为1~18GHz。其相控阵局部阵面1辐射场快速推演方法具体为：
1）在距地面约10m高度处架设相控阵局部阵面1，其波束指向为水平方向、极化方式为垂直极化；将双脊喇叭天线2通过天线支架3架设于相控阵局部阵面1中心等高处、距离相控阵局部阵面1中心50m（这里，D为0.4m，工作频率为10GHz时波长为0.03m，即
Figure BDA00001810081800021
Figure BDA00001810081800022
满足中远场条件
Figure BDA00001810081800023
喇叭口正对相控阵局部阵面1中心，极化方式也为垂直极化。双脊喇叭天线2的射频输出端通过低损耗电缆（频率18GHz时衰减不大于1.1dB/m）接入频谱分析仪，该频谱分析仪的工作频率为20Hz~26.5GHz；
2）微调双脊喇叭天线2的高度、方位角和俯仰角，使频谱分析仪接收到的耦合电平最大，并读出最大场强值为30V/m。
3）同一场点处，相控阵全阵产生的场强为1200/300×30=120V/m。
为验证上述方法的有效性和准确性，我们还建立了该相控阵局部阵面1和全阵面的仿真模型，对同一场点的辐射场进行了仿真实验，得到相控阵局部阵面1和全阵面在上述场点处的场强分别为32V/m和126V/m。由此，推演误差为0.4dB，远小于6dB的可接受误差值。
图3还给出了不同频率下，相控阵的辐射场推演值与仿真值对比，可见，推演误差不超过3dB。
上述实施例中未详尽描述的内容，属于本领域公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于中远场主波束幅相合成的相控阵局部阵面辐射场快速推演方法，其特征在于，它包括如下步骤：
1）架设相控阵局部阵面和测试天线，使二者主波束对准且极化匹配，测试天线位于相控阵局部阵面的主波束辐射场内、且与相控阵局部阵面中心的距离为R，测试天线的射频输出端接入频谱分析仪；
2）相控阵局部阵面以频率f定波束发射，通过测试天线测得距离相控阵局部阵面中心R处场点的场强为Ep(f)；
3）由式EA(f)＝NEp(f)推演得到相控阵全阵在R处产生的场强EA(f)，式中，N为相控阵全阵面与相控阵局部阵面的阵元个数之比。
2.根据权利要求1所述的基于中远场主波束幅相合成的相控阵局部阵面辐射场快速推演方法，其特征在于，所述步骤1）中，架设相控阵局部阵面和测试天线的过程为：架设相控阵局部阵面，粗略估算测试天线的高度和口径指向，使二者主波束方向一致、极化方式相同；测试天线的射频输出端接入频谱分析仪；局部阵面以任意频率定波束发射，微调测试天线的高度、方位角和俯仰角，使频谱分析仪的测试值最大，表明相控阵局部阵面和测试天线的主波束对准且极化匹配。
3.根据权利要求1或2所述的基于中远场主波束幅相合成的相控阵局部阵面辐射场快速推演方法，其特征在于：所述测试天线与相控阵局部阵面中心的距离R满足式中，D为相控阵天线的最大尺寸，λ为相控阵局部阵面所发射电磁波的波长。
4.根据权利要求1或2所述的基于中远场主波束幅相合成的相控阵局部阵面辐射场快速推演方法，其特征在于：所述相控阵全阵面与相控阵局部阵面的阵元个数之比N≤100。
5.根据权利要求3所述的基于中远场主波束幅相合成的相控阵局部阵面辐射场快速推演方法，其特征在于：所述相控阵全阵面与相控阵局部阵面的阵元个数之比N≤100。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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