CN105354368B - 近场复杂物遮挡下微波天线方向图快速预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种近场复杂物遮挡下微波天线方向图快速预测方法，具体包括如下步骤：1)基于球面波源展开来近似微波天线的近场特性：以坐标原点为圆心，作一个包围待测天线的最小球，在球外空间，天线场表示为矢量波函数的加权和，用电场强度矢量和磁场强度矢量表达，从而将反射面天线的辐射近场近似为球面波源的展开；2)将步骤1)展开的球面波源与复杂障碍物模型一起构建仿真场景，复杂障碍物模型存在介质材料和金属材料共存复杂性；3)对步骤2)构建的仿真场景采用几何光学方法进行仿真计算，得到方向图曲线。本发明可处理近场遮挡问题，处理问题的材质范围较广、电尺度较大，计算速度明显优于传统方法，预测结果与试验结果较为吻合。

Description

近场复杂物遮挡下微波天线方向图快速预测方法

技术领域

本发明属于舰船电磁兼容领域，具体涉及一种近场复杂物遮挡下微波天线方向图快速预测方法。

背景技术

通常在分析微波天线辐射特性的时候，考虑的是自由空间环境。有关考虑实际背景环境影响的方法相对较少，而实际背景中一旦在天线近场区出现复杂障碍物(如结构复杂、材料复杂、尺寸跨度较大)，将显著增加天线辐射能力的预测难度。传统的积分方程类方法难以在普通工作站上实现快而有效的预测，典型的高频方法如物理光学则不易处理介质材料，而采用远场等效源近似等方法则不适于存在近场相互作用的场景。

发明内容

本发明要解决的问题是，针对现有技术存在的上述不足，为了在普通工作站上实现近场复杂障碍物遮挡下微波天线方向图快速预测，提供一种近场复杂物遮挡下微波天线方向图快速预测方法。

本发明解决上述问题采用的技术方案是：

近场复杂物遮挡下微波天线方向图快速预测方法，具体包括如下步骤：

1)基于球面波源展开来近似微波天线的近场特性；

以坐标原点为圆心，作一个包围待测天线的最小球，半径为R_min，在球外空间，天线场表示为矢量波函数和的加权和，天线场表达式如下：

式中，为电场强度矢量，为磁场强度矢量，为自由空间波阻抗，μ为介质磁导率，ε为介质介电常数，矢量波函数和采用包含各奇偶模式的表达，m、n是有限带宽，满足-N≤m≤N，0≤n≤N，N≈k(R_min+d)，d取7～10，为自由空间传播常数，w为分析频率；

分别为电场和磁场的权系数，包含了天线场的完整信息，求得权系数就算出天线场的其他特征参数，从而将反射面天线的辐射近场近似为球面波源的展开；

同时，将时谐因子e^jwt以乘积形式出现在上述天线场表达式中，矢量波函数和取为以e^jwt为时谐因子的球贝塞尔函数，对于自由空间传播常数k，进一步明确取为时，表示沿方向传播的球面波；

2)将步骤1)展开的球面波源与复杂障碍物模型一起构建仿真场景，所述复杂障碍物模型存在介质材料和金属材料共存复杂性；

3)对步骤2)构建的仿真场景采用几何光学方法进行仿真计算，得到方向图曲线：

式中，Φ为关于x,y,z的相位函数，n(x,y,z)为折射率。

本发明的工作原理：通过基于球面波源展开和几何光学近似方法来计算复杂障碍物在天线的近场区对其辐射特性的影响，利用球面波源展开将微波天线展开为球面波的叠加，再代入复杂障碍物模型，基于可处理介质材料的几何光学方法予以仿真计算，即可在普通工作站上实现近场复杂障碍物遮挡下微波天线方向图快速预测。

本方法与传统其它方法在方面的优势相比较为明显，同时具备以下几点:

1、可处理近场遮挡问题；

2、处理问题的材质范围较广，兼顾导体和介质两种材质情况；

3、处理问题的电尺度较大(电大尺寸目标)，计算速度明显优于传统其它方法；

4、计算精度经过试验检验，预测结果与试验结果较为吻合。

附图说明

图1为本发明实施例近场复杂障碍物与微波天线的场景示意图；

图2为本发明方法仿真计算的三维方向图；

图3为本发明方法仿真计算的二维方向图与试验比对结果图；

图4为本发明方法与传统其它方法的速度对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，假定某一近场复杂障碍物与微波天线(以反射面天线为例)距离为1m，分析频率为C波段(中心频率6GHz，垂直极化)，微波天线发射的电磁波沿水平方向朝近场复杂障碍物辐射。复杂障碍物包含金属材料和介质材料，其中介电常数为5+0i。所使用硬件平台为联想启天M系列工作站，2.66GHz*8核心，内存36GB。参考本发明所述方法步骤，可以得到如图1-3所示的仿真模型和计算结果。从图3中，我们可以看出预测结果与试验结果较为吻合。此外如图4所示，本方法与传统其它方法在计算速度方面的优势相比较为明显(图中数据为单次方向图计算时间)。基于上述分析，可以看出利用本方法可以较快的进行近场障碍物遮挡情况下的微波天线方向图预测。

应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (1)

1.近场复杂物遮挡下微波天线方向图快速预测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)基于球面波源展开来近似微波天线的近场特性；

以坐标原点为圆心，作一个包围待测天线的最小球，半径为R_min，在球外空间，天线场表示为矢量波函数和的加权和，天线场表达式如下：

式中，为电场强度矢量，为磁场强度矢量，为自由空间波阻抗，μ为介质磁导率，ε为介质介电常数，矢量波函数和采用包含各奇偶模式的表达，m、n是有限带宽，满足-N≤m≤N，0≤n≤N，N≈k(R_min+d)，d取7～10，为自由空间传播常数，w为分析频率；

分别为电场和磁场的权系数，包含了天线场的完整信息，求得权系数就算出天线场的其他特征参数，从而将反射面天线的辐射近场近似为球面波源的展开；

同时，将时谐因子e^jwt以乘积形式出现在上述天线场表达式中，矢量波函数和取为以e^jwt为时谐因子的球贝塞尔函数，对于自由空间传播常数k，进一步明确取为时，表示沿方向传播的球面波；

2)将步骤1)展开的球面波源与复杂障碍物模型一起构建仿真场景，所述复杂障碍物模型存在介质材料和金属材料共存复杂性；

3)对步骤2)构建的仿真场景采用几何光学方法进行仿真计算，得到方向图曲线：

式中，Φ为关于x,y,z的相位函数，n(x,y,z)为折射率。