CN105071048B - 一种网状反射面天线无源互调量的确定方法 - Google Patents

一种网状反射面天线无源互调量的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种网状反射面天线无源互调量的确定方法，步骤如下：建立网状反射面天线等效模型；对网状反射面天线等效模型分别加载载波信号，求出面电流分布；计算网状反射面天线等效固面天线模型搭接电压；建立金属丝搭接处的无源互调分析模型，并得到各阶互调电流；选取网状反射面上ml个空间采样点，并计算等效固面天线模型上对应的ml个空间坐标采样点的无源互调量。本发明解决了电大尺寸网状反射面天线无源互调量无法通过计算分析获得的技术难题。

Description

一种网状反射面天线无源互调量的确定方法
技术领域
本发明涉及一种网状反射面天线无源互调量的确定方法，属于星载微波技术领域。
背景技术
(1)随着下一代收发共用通信卫星技术的发展，更高传输功率与更多通道数成为必然的发展趋势。而对于高功率收发共用天线而言，极易发生无源互调问题，成为限制其可靠性的基础性技术难题。无源互调(Passive-Intermodulation,简称PIM)是指在大功率条件下，当输入两个或者两个以上载波时，由于微波无源部件的非线性导致载波信号相互调制，产生载波频率的组合产物落入接收通带内造成干扰的现象。
申请人在进行专利撰写前利用多种检索策略和数据库进行了相关的检索，发现以下文献比较相似：
涉及到网状反射面天线无源互调数值模拟方法或者仿真方法的文献有：《PassiveIntermodulation on Large Reflector Antennas》,Piefro Bolli,Stefan Selleri,andGiuseppe Pelosi，《Development of Low PIM,Zero CTE Mesh for DeployableCommunications Antennas》，William D.Wade，《非线性结构无源互调分析的等效电路法》，王佩、李团结等，这些文献均将网状反射面天线等效为金属条带，通过解析计算得到空间场分布，误差较大，不能计算电大尺寸网状反射面天线实际电磁场分布，更不能用于电大尺寸网状反射面无源互调分析，与本发明存在本质不同。
另外，还检索到国际专利《DEPLOYABLE SATELLITE REFLECTOR WITHA LOWPASSIVE INTERMODULATION DESIGN》(专利号：US 2013/0141307 Al)涉及低无源互调金属反射面天线设计方法，通过改变金属肋条材料的方法降低金属反射面无源互调，但是该专利并未涉及到互调量如何确定，尤其不涉及确定网状反射面天线无源互调量的方法；
另外另查阅到数篇无源互调数值模拟与仿真的论文，分别涉及不同物理结构微波部件无源互调分析方法，例如微带结构、微波腔体部件无源互调分析方法，均未涉及如何确定网状反射面天线无源互调。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种网状反射面天线无源互调量的确定方法，本发明解决了电大尺寸网状反射面天线无源互调量无法通过计算分析获得的技术难题。
本发明的技术解决方案是：
一种网状反射面天线无源互调量的确定方法，包括步骤如下：
(1)建立网状反射面天线等效模型：根据网状反射面天线实际物理结构将由金属丝搭接的网状结构反射面等效为全金属填充反射面，即建立网状反射面天线等效固面天线模型，并根据网状反射面天线实际馈源结构建立等效固面天线模型的馈源模型，根据等效固面天线模型与馈源模型建立网状反射面天线等效模型；等效固面天线模型为与网状反射面实际物理结构有相同形面和拼接方式的金属面；
(2)对步骤(1)中的网状反射面天线等效模型分别加载n路载波信号，将网状反射面天线等效模型划分成若干个小网格，并求出n路载波分别馈入时等效固面天线模型上每一个三维坐标点处的面电流分布Ji(x,y,z),i＝1,...,n；
(3)根据网状反射面金属丝搭接处的金属丝导体电阻率、金属丝半径和载波频率确定网状反射面天线任意金属丝搭接处P(x,y,z)的接触电阻R(x,y,z)与接触面积S(x,y,z)，并结合步骤(2)中面电流分布得到等效固面天线模型对应坐标P(x,y,z)的搭接电压
(4)建立金属丝搭接处P(x,y,z)的无源互调分析模型Im(x,y,z)＝f(Vn(x,y,z))，并结合步骤(3)得到的金属丝搭接处P(x,y,z)电压分布Vn(x,y,z)作为无源互调分析模型的输入，得到各阶互调电流Im(x,y,z)，其中第m阶互调电流的频率由n路输入载波频率的互调频率决定；
(5)选取网状反射面上ml个空间采样点，并计算等效固面天线模型上对应的ml个空间坐标采样点的无源互调量；
无源互调量计算的具体方式如下：
(5a)以网状反射面中心处为起始，以1/4波长对应的圆弧面面积sl为单位在整个反射面上进行采样，共采集ml个圆弧面的电压值；
(5b)根据步骤(4)确定网状反射面ml个空间坐标处无源互调分析模型，并根据将n路载波分别作为输入时得到的ml个空间坐标处电压值Vn(x,y,z)作为输入，得到各阶非线性互调电流Im(x,y,z)；
(5c)根据ml个空间坐标处各阶非线性互调电流量与接触电阻R(x,y,z)得到ml个空间坐标处各阶非线性信号功率Pm(x,y,z)＝Im 2(x,y,z)R(x,y,z)，将各阶非线性信号功率乘以聚合因子α得到1/4波长对应的圆弧面面积sl上非线性功率；其中，聚合因子sa为网状反射面实际网孔面积；
(5d)将各阶非线性信号功率作为相应空间坐标处功率源，根据麦克斯韦方程结合开放空间边界条件，得到ml个各阶离散功率源在等效固面天线模型的馈源模型处接收功率，即网状反射面天线的无源互调量。
步骤(2)中采用基于小网格运用描述电磁场演化的麦克斯韦(Maxwell)方程组，在频域求解得到n路载波分别馈入时的面电流分布Jn(x,y,z)。
步骤(5)中选取网状反射面上ml个空间采样点的具体方式如下：
(51)根据各路载波频率确定网状反射面天线中心频率其中n为载波数，fi为各路载波频率；
(52)根据中心频率确定对应的1/4波长对应的圆弧面面积sl；
(53)根据步骤(52)确定的sl以及整个网状反射面弧面面积sr与1/4波长对应的圆弧面面积sl得到网状反射面采样点数
步骤(4)中无源互调分析模型如下：
其中，Im(x,y,z)为各阶非线性电流；I0、V0的值由网状反射面金属丝搭接P(x,y,z)处金属丝接触状态确定。
金属面的透射率为网状反射面的透射率。
馈源模型到等效固面天线模型的距离与实际馈源结构到网状反射面的距离相等，馈源模型到等效固面天线模型的倾角与实际馈源结构到网状反射面的倾角相等。
步骤(2)中的n路载波中的第i路载波信号为n为自然数，i＝1，2，3……n，第i路载波频率为fi；
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用金属固面天线等效网状反射面天线，通过金属丝实际接触状态确定非线性分析模型，通过场计算与非线性计算的无缝连接在保证电磁场计算精度的前提下首次实现了电大尺寸网状反射面天线无源互调量的计算与确定，解决了电大尺寸网状反射面天线无源互调量无法通过计算分析获得的技术难题，具有广阔的市场应用前景，而且本发明计算精度准确，实现难度低，通用性大大增强。
(2)本发明通过将n路不同频率的载波分别馈入网状反射面天线等效模型网状反射面天线等效模型，通过频域求解麦克斯韦方程得到不同频率下的电磁场分布，尤其是电流分布，然后通过无源互调分析模型进行分解得到各阶非线性电流，避免了直接在时域求解n路输入载波时时域积累误差淹没非线性量，导致无源互调量无法计算与提取的技术困难。
(3)本发明通过设置金属固面天线的透射率提高了网状反射面天线电性能仿真精度，更加吻合物理实际与测量结果，计算无源互调量时电磁场分布及相应的电压电流分布的求解更为准确。
附图说明
图1为本发明网状反射面天线等效天线模型；
图2为本发明网状反射面表面电流分布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明一种网状反射面天线无源互调量的确定方法，包括步骤如下：
(1)建立网状反射面天线等效模型：如图1所示，根据网状反射面天线实际物理结构将由金属丝搭接的网状结构反射面等效为全金属填充反射面，即建立网状反射面天线等效固面天线模型，并根据网状反射面天线实际馈源结构建立等效固面天线模型的馈源模型，根据等效固面天线模型与馈源模型建立网状反射面天线等效模型；等效固面天线模型为与网状反射面实际物理结构有相同形面和拼接方式的金属面；设置金属面的透射率为网状反射面的透射率；馈源模型到等效固面天线模型的距离与实际馈源结构到网状反射面的距离相等，馈源模型到等效固面天线模型的倾角与实际馈源结构到网状反射面的倾角相等。
(2)对步骤(1)中的网状反射面天线等效模型网状反射面天线等效模型分别加载n路载波信号(第i路载波信号为n为自然数，i＝1，2，3……n，第i路载波频率为fi)，将网状反射面天线等效模型网状反射面天线等效模型划分成若干个小网格，基于小网格运用描述电磁场演化的麦克斯韦(Maxwell)方程组，并在频域求出n路载波分别馈入时等效固面天线模型上每一个三维坐标点处的面电流分布Ji(x,y,z),i＝1,...,n，如图2所示；
(3)根据网状反射面金属丝搭接处的金属丝导体电阻率ρ、金属丝半径r0和载波频率f0,确定网状反射面天线任意金属丝搭接处P(x,y,z)的接触电阻R(x,y,z)与接触面积S(x,y,z)，并结合步骤(2)中面电流分布得到等效固面天线模型对应坐标P(x,y,z)的搭接电压
(4)建立金属丝搭接处P(x,y,z)的无源互调分析模型Im(x,y,z)＝f(Vn(x,y,z))，并结合步骤(3)得到的金属丝搭接处P(x,y,z)电压分布Vn(x,y,z)作为无源互调分析模型的输入，得到各阶互调电流Im(x,y,z)，其中第m阶互调电流的频率由n路输入载波频率的互调频率决定；
无源互调分析模型如下：
其中，Im(x,y,z)为各阶非线性电流；I0、V0的值由网状反射面金属丝搭接P(x,y,z)处金属丝接触状态确定。
(5)选取网状反射面上ml个空间采样点，并计算等效固面天线模型上对应的ml个空间坐标采样点的无源互调量；
(51)根据各路载波频率确定网状反射面天线中心频率其中n为载波数，fi为各路载波频率；
(52)根据中心频率确定对应的1/4波长对应的圆弧面面积sl；
(53)根据步骤(52)确定的sl以及整个网状反射面弧面面积sr与1/4波长对应的圆弧面面积sl得到网状反射面采样点数
无源互调量计算的具体方式如下：
(5a)以网状反射面中心处为起始，以1/4波长对应的圆弧面面积sl为单位在整个反射面上进行采样，共采集ml个圆弧面的电压值；
(5b)根据步骤(4)确定网状反射面ml个空间坐标处无源互调分析模型，并根据将n路载波分别作为输入时得到的ml个空间坐标处电压值Vn(x,y,z)作为输入，得到各阶非线性互调电流；
(5c)根据ml个空间坐标处各阶非线性互调电流量与接触电阻R(x,y,z)得到ml个空间坐标处各阶非线性信号功率Pm(x,y,z)＝Im 2(x,y,z)R(x,y,z)，将各阶非线性信号功率乘以聚合因子α得到1/4波长对应的圆弧面面积sl上非线性功率；其中，聚合因子sa为网状反射面实际网孔面积；
(5d)将各阶非线性信号功率作为相应空间坐标处功率源，根据麦克斯韦方程结合开放空间边界条件，得到ml个各阶离散功率源在等效固面天线模型的馈源模型处接收功率，即网状反射面天线的无源互调量。
下面以一个具体实施例对本发明做进一步解释和说明。
L频段网状反射面天线无源互调量的确定方法，包括步骤如下：
(1)建立网状反射面天线等效模型：如图1所示，根据网状反射面天线实际物理结构将由金属丝搭接的网状结构反射面等效为全金属填充反射面，即建立网状反射面天线等效固面天线模型，并根据网状反射面天线实际馈源结构建立等效固面天线模型的馈源模型，根据等效固面天线模型与馈源模型建立网状反射面天线等效模型网状反射面天线等效模型；等效固面天线模型为与网状反射面实际物理结构有相同形面和拼接方式的金属面；设置金属面的透射率为网状反射面的透射率，对于所述金属面的透射率为99％；馈源模型到等效固面天线模型的距离与实际馈源结构到网状反射面的距离相等，馈源模型到等效固面天线模型的倾角与实际馈源结构到网状反射面的倾角相等。
(2)对步骤(1)中的网状反射面天线等效模型网状反射面天线等效模型分别加载n路载波信号(第i路载波信号为n为自然数，i＝1，2，3……n，第i路载波频率为fi)，其中n＝2，确定两路载波输入信号频率为f1＝1.1GHz和f2＝1.2GHz，两路载波输入信号功率分别为1w，相位分别为0；将网状反射面天线等效模型网状反射面天线等效模型划分成若干个小网格，基于小网格运用描述电磁场演化的麦克斯韦(Maxwell)方程组，并在频域求出两路载波分别馈入时等效固面天线模型上每一个三维坐标点处的面电流分布，如图2所示，对于网状反射面天线等效模型中心处的J1(x,y,z)和J2(x,y,z)分别为580sin2πf1tA/m2与601sin2πf2t A/m2；
(3)根据网状反射面金属丝搭接处的金属丝导体电阻率ρ为2.4x10-8欧姆米、金属丝半径r0为50微米和载波频率f0,为1.15GHz，确定网状反射面天线任意金属丝搭接处P(x,y,z)的接触电阻其中ls为接触区域长度，此处为100微米，ur为相对磁导率，此处为1，u0为空气磁导率12.56x10-7H/m，此时接触电阻R(x,y,z)为2.3毫欧，与接触面积S(x,y,z)＝3.14·r0 2＝7.85×10-9m2，并结合步骤(2)中面电流分布得到等效固面天线模型对应坐标P(x,y,z)的搭接电压
(4)建立金属丝搭接处P(x,y,z)的无源互调分析模型Im(x,y,z)＝f(Vn(x,y,z))，并结合步骤(3)得到的金属丝搭接处P(x,y,z)电压分布Vn(x,y,z)作为无源互调分析模型的输入，得到各阶互调电流Im(x,y,z)，其中第m阶互调电流的频率由n路输入载波频率的互调频率决定；
无源互调分析模型如下：
其中，Im(x,y,z)为各阶非线性电流；I0、V0的值由网状反射面金属丝搭接P(x,y,z)处金属丝接触状态确定，此处分别为10-6A/m2和0.25V/m。
(5)选取网状反射面上ml个空间采样点，并计算等效固面天线模型上对应的ml个空间坐标采样点的无源互调量；
(51)根据各路载波频率确定网状反射面天线中心频率为1.15GHz；
(52)根据中心频率确定对应的1/4波长对应的圆弧面面积sl为0.004225m2；
(53)根据步骤(52)确定的sl以及整个网状反射面弧面面积sr与1/4波长对应的圆弧面面积sl得到网状反射面采样点数为13008。
无源互调量计算的具体方式如下：
(5a)以网状反射面中心处为起始，以1/4波长对应的圆弧面面积sl为单位在整个反射面上进行采样，共采集ml个圆弧面的电压值，例如反射面中心处电压值为
(5b)根据步骤(4)确定网状反射面ml个空间坐标处无源互调分析模型，并根据将n路载波分别作为输入时得到的ml个空间坐标处电压值Vn(x,y,z)作为输入，得到各阶非线性互调电流，例如反射面中心处各阶非线性互调电流为
其中2f1-f2项对应于m＝3即3阶非线性互调电流，3f1-2f2项对应于m＝5即5阶非线性互调电流，4f1-3f2项对应于m＝7即7阶非线性互调电流，以此类推能够得到m阶非线性互调电流；
(5c)根据ml个空间坐标处各阶非线性互调电流量与接触电阻R(x,y,z)得到ml个空间坐标处各阶非线性信号功率Pm(x,y,z)＝Im 2(x,y,z)R(x,y,z)，将各阶非线性信号功率乘以聚合因子α得到1/4波长对应的圆弧面面积sl上非线性功率，例如反射面中心处1/4波长对应的圆弧面面积sl上非线性功率如表1所示；其中，聚合因子sa为网状反射面实际网孔面积，此处为10mm2；
表1网状反射面中心处1/4波长对应的圆弧面面积sl上非线性功率
互调阶数 3阶 5阶 7阶
功率/dBm -64.3 -62.5 -66.7
(5d)将各阶非线性信号功率作为相应空间坐标处功率源，根据麦克斯韦方程结合开放空间边界条件，得到ml个各阶离散功率源在等效固面天线模型的馈源模型处接收功率，即网状反射面天线的无源互调量，如表2所示。
表2网状反射面天线无源互调量
互调阶数 3阶 5阶 7阶
功率/dBm -103.3 -101.5 -105.7
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种网状反射面天线无源互调量的确定方法，其特征在于步骤如下：
(1)建立网状反射面天线等效模型：根据网状反射面天线实际物理结构将由金属丝搭接的网状结构反射面等效为全金属填充反射面，即建立网状反射面天线等效固面天线模型，并根据网状反射面天线实际馈源结构建立等效固面天线模型的馈源模型，根据等效固面天线模型与馈源模型建立网状反射面天线等效模型；所述等效固面天线模型为与网状反射面实际物理结构有相同形面和拼接方式的金属面；
(2)对步骤(1)中的网状反射面天线等效模型分别加载n路载波信号，将所述网状反射面天线等效模型划分成若干个小网格，并求出n路载波分别馈入时等效固面天线模型上每一个三维坐标点处的面电流分布Ji(x,y,z),i＝1,...,n；
(3)根据网状反射面金属丝搭接处的金属丝导体电阻率、金属丝半径和载波频率确定网状反射面天线任意金属丝搭接处P(x,y,z)的接触电阻R(x,y,z)与接触面积S(x,y,z)，并结合步骤(2)中面电流分布得到等效固面天线模型对应坐标P(x,y,z)的搭接电压
(4)建立金属丝搭接处P(x,y,z)的无源互调分析模型Im(x,y,z)＝f(Vn(x,y,z))，并结合步骤(3)得到的金属丝搭接处P(x,y,z)电压分布Vn(x,y,z)作为无源互调分析模型的输入，得到各阶互调电流Im(x,y,z)，其中第m阶互调电流的频率由n路输入载波频率的互调频率决定；
(5)选取网状反射面上ml个空间采样点，并计算等效固面天线模型上对应的ml个空间坐标采样点的无源互调量；
无源互调量计算的具体方式如下：
(5a)以网状反射面中心处为起始，以1/4波长对应的圆弧面面积sl为单位在整个反射面上进行采样，共采集ml个圆弧面的电压值；
(5b)根据步骤(4)确定网状反射面ml个空间坐标处无源互调分析模型，并根据将n路载波分别作为输入时得到的ml个空间坐标处电压值Vn(x,y,z)作为输入，得到各阶非线性互调电流；
(5c)根据ml个空间坐标处各阶非线性互调电流量与接触电阻R(x,y,z)得到ml个空间坐标处各阶非线性信号功率Pm(x,y,z)＝Im 2(x,y,z)R(x,y,z)，将各阶非线性信号功率乘以聚合因子α得到1/4波长对应的圆弧面面积sl上非线性功率；其中，聚合因子sa为网状反射面实际网孔面积；
(5d)将所述各阶非线性信号功率作为相应空间坐标处功率源，根据麦克斯韦方程结合开放空间边界条件，得到ml个各阶离散功率源在等效固面天线模型的馈源模型处接收功率，即网状反射面天线的无源互调量。
2.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线无源互调量的确定方法，其特征在于在：所述步骤(2)中采用基于小网格运用描述电磁场演化的麦克斯韦方程组，在频域求解得到n路载波分别馈入时的面电流分布Jn(x,y,z)。
3.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线无源互调量的确定方法，其特征在于：所述步骤(5)中选取网状反射面上ml个空间采样点的具体方式如下：
(51)根据各路载波频率确定网状反射面天线中心频率其中n为载波数，fi为各路载波频率；
(52)根据中心频率确定对应的1/4波长对应的圆弧面面积sl；
(53)根据步骤(52)确定的sl以及整个网状反射面弧面面积sr与1/4波长对应的圆弧面面积sl得到网状反射面采样点数。
4.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线无源互调量的确定方法，其特征在于在：所述步骤(4)中无源互调分析模型如下：
其中，Im(x,y,z)为各阶非线性电流；I0、V0的值由网状反射面金属丝搭接P(x,y,z)处金属丝接触状态确定。
5.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线无源互调量的确定方法，其特征在于在：所述全金属填充反射面的透射率为网状反射面的透射率。
6.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线无源互调量的确定方法，其特征在于在：所述馈源模型到等效固面天线模型的距离与实际馈源结构到网状反射面的距离相等，所述馈源模型到等效固面天线模型的倾角与实际馈源结构到网状反射面的倾角相等。
7.根据权利要求1所述的一种网状反射面天线无源互调量的确定方法，其特征在于在：所述步骤(2)中的n路载波中的第i路载波信号为n为自然数，i＝1，2，3……n，第i路载波频率为fi。
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