CN105388449A - 一种衡量天线罩对天线阵列测向性能影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种衡量天线罩对天线阵列测向性能影响的方法，具体为：确定天线阵列中各天线坐标、各天线等效口面数据、天线罩的几何模型等参数；利用物理光学法计算得到各天线在罩外远区产生的电场幅值和相位；对天线阵列中任意天线单元，计算此天线单元的插入相位移；计算相位误差，即两两天线单元插入相位移的差值；计算天线阵列系统中任意两天线的相位误差的平均值，最后计算两天线相位误差与平均值的差值，即天线罩的相位不一致性，用于衡量天线罩对天线阵列电性能的影响程度。与现有技术相比，本方法具有不需要了解天线罩内部天线阵列的工作模式及辐射特性；减小计算的复杂性和工作量；利于特殊系统的要求等优点。

Description

一种衡量天线罩对天线阵列测向性能影响的方法

技术领域

本发明涉及一种衡量天线罩对天线阵列测向性能影响的方法，属于雷达天线技术领域。

背景技术

天线罩内布置的天线阵列，可用于实现测向、定位与跟踪等功能。例如安装在飞机上的侦察系统，能够不受地形条件的限制在大范围空间内进行侦察，其作用距离远，且能够获取更多的通信信号并实现对地面信号源目标的准确定位，在军事和民用领域应用十分广泛。为了适应飞机气动性能的要求，同时天线系统免受高温、静电等恶劣环境的影响，天线系统的外部要使用天线罩进行保护。在天线系统中减小天线罩对其内部天线阵列的影响，对保证天线系统的正常工作有着非常重要的意义。

天线罩内布置的天线阵列采用干涉仪方法测向是利用不同的天线接收到相位的差值来计算来波方向。由于天线罩是由复合材料制作，罩体的厚度存在不均匀性，会给测向定位天线阵中不同的天线相位带来附加的相位误差，会对测向结果带来一定的影响，甚至会导致无法测向。减小天线罩的影响，对保证天线系统正常工作有很重要的意义。通过计算因天线罩的厚度所带来的相位误差对测向天线阵列的总体影响，对天线罩的设计和制作工艺提出指导建议，进而衡量天线罩设计的优劣，是十分重要的。

现有的衡量天线罩对内部天线阵列的测向精度影响的方法，是通过对比天线阵列工作在有罩体和无罩体时所测试的相位值。但是该方法需要确定天线阵列的具体工作模式和辐射特性，这就增大了测试的复杂性和计算的工作量，同时无法满足对特殊的天线-天线罩系统的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种衡量天线罩对天线阵列测向性能影响的方法，通过计算电性能参数，确定天线罩对内部天线阵列的测向性能影响。该方法可用于各种结构天线阵列-天线罩系统的测向性能进行预测和衡量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种衡量天线罩对天线阵列测向性能影响的方法，通过与测向性能具有正相关系的带天线罩天线阵列系统中两两天线的相位不一致性，来衡量天线罩影响内部天线阵列测向精度，具体为：

步骤1，确定天线工作频率、各个天线口面场数据、天线阵列位置坐标、各天线水平及俯仰角度；

步骤2，建立天线罩结构的几何模型，设置各层厚度及介电常数，并对天线罩模型进行网格剖分；

步骤3，确定天线罩外远区场的观察位置，扫描角范围及扫描步长；

步骤4，利用远场积分公式，计算天线阵列中各天线在罩外远区场产生的电场幅值和相位；

步骤5，对天线阵列中任意天线，计算其带罩远区场电场相位和不带罩远区场电场相位的差值，作为该天线的插入相位移；

步骤6，对天线阵列中任意两天线，计算两者插入相位移的差值，作为该两天线的相位误差；

步骤7，根据步骤6中得到的相位误差，计算相位误差的平均值；对天线阵列中任意两天线，该两天线的相位误差与相位误差平均值的差值，即为带天线罩的天线阵列系统中两两天线的相位不一致性，从而以此衡量系统的测向精度。

作为本发明的进一步优化方案，步骤3中天线罩外的远区场，距开口面处的距离为r，其中，r>D²/λ，D为天线口面直径，λ为工作波长。

作为本发明的进一步优化方案，步骤1中确定天线口面场数据有两种方式：一种采用电磁仿真软件进行计算，另一种采用天线辐射公式直接进行口面场数据计算。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2中使用CATIA软件建立天线罩结构的几何模型，并使用PATRAN软件对模型进行网格剖分。

作为本发明的进一步优化方案，利用口面积分-表面积分方法计算天线阵列中各天线在罩外远区场产生的电场幅值和相位。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)若采用计算对比带罩和不带罩时天线阵列测向结果的方式，来衡量天线罩对天线阵列测向误差的影响，需要了解天线阵列的工作模式及辐射特性，然而根据工程经验已知可以直接采用相位不一致性来衡量天线罩对天线阵列测向精度的影响，且不需要了解天线罩内部天线阵列的工作模式及辐射特性；

(2)减小了计算的复杂性和工作量。为衡量天线罩对天线阵列测向精度影响，现有的技术需要计算对比天线阵列带罩和不带罩时测向结果，该过程复杂且工作量大，而本方法直接使用相位不一致性衡量，过程简单且工作量小；

(3)利于满足特殊系统的要求。如当天线阵列-天线罩系统属于保密系统的时候，无法提供天线的具体工作模式，则可直接使用相位不一致性概念即可衡量天线罩对天线阵列测向精度的影响。

附图说明

图1为本发明一种衡量天线罩对天线阵列测向精度影响的方法流程图。

图2(a)为标准角锥喇叭天线口面电场模型。

图2(b)为标准角锥喇叭天线口面磁场模型。

图2(c)为标准角锥喇叭天线等效口面电场网格剖分后模型。

图2(d)为标准角锥喇叭天线等效口面磁场网格剖分后模型。

图3(a)为由CATIA建立的正切卵形天线罩模型。

图3(b)为由PATRAN对正切卵形天线罩进行网格剖分后的模型。

图4为多层介质的等效传输线模型。

图5为计算天线罩某剖分块外电场和磁场的过程示意图。

图6为天线罩及其内部天线阵列位置分布示意图。

图7为本发明实施例1中采用的天线阵列排布示意图。

图8为本发明实施例1中使用的正切卵形天线罩截面示意图。

图9(a)为本发明实施例1中2GHz下两两天线对应的天线罩的相位不一致性结果。

图9(b)为本发明实施例1中6GHz下两两天线对应的天线罩的相位不一致性结果。

图9(c)为本发明实施例1中10GHz下两两天线对应的天线罩的相位不一致性结果。

图10为本发明实施例2中采用的天线阵列排布示意图。

图11(a)为本发明实施例2中0.8GHz频率下两两天线对应的相位不一致性结果。

图11(b)为本发明实施例2中4GHz频率下两两天线对应的相位不一致性结果。

图11(c)为本发明实施例2中6GHz频率下两两天线对应的相位不一致性结果。

图12为本发明实施例2中各个频率点的测向误差值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种衡量天线罩对天线阵列测向精度影响的方法，包括以下步骤：

步骤1，确定天线工作频率、各个天线口面电场数据、天线阵列位置坐标、各天线水平及俯仰角度。

步骤2，建立天线罩结构的几何模型、选取罩壁截面结构、确定各层厚度及各层介电常数及损耗角正切，并对天线罩模型进行网格剖分。

步骤3，设置远区场(即离开口面处的距离r大于天线口面直径D的平方/工作波长λ，r>D²/λ)观察位置距离天线阵列中心的距离，扫描角范围及扫描步长。

步骤4，利用口面积分-表面积分方法计算得到各天线单元在天线罩外部的远区场产生的电场幅值和相位。

步骤5，对天线阵列中任意天线单元，计算其带罩远区场电场相位和不带罩远区场电场相位的差值，作为此天线的插入相位移。

步骤6，计算相位误差，即两两天线单元插入相位移的差值。

步骤7，在相位误差的基础上，计算天线阵列—天线罩系统中任意两天线的相位误差的平均值(即步骤7中计算得到的相位误差的平均值)，据此计算两天线相位误差与平均值的差值，即带天线罩的天线阵列系统中两两天线的相位不一致性，该参数与系统的测向性能具有正相关系，所以可直接用于衡量系统的测向精度。

在上述步骤1中，确定天线工作频率、各个天线口面电场数据、天线阵列位置坐标、各天线水平及俯仰角度。

天线口面电场的确定方式有两种，一种可以采用电磁仿真软件计算的方式，例如图2(a)至2(d)所示，使用FEKO或者HFSS等商用软件建立该天线模型，计算天线辐射方向某块矩形或圆形口面的电场和磁场数据，等效原天线。另一种可以采用数值计算方式，使用天线辐射公式直接进行口面电场值计算。选择口面电场后，完成天线阵列位置坐标、天线水平及俯仰偏转角度参数设置。

步骤2中，建立天线罩结构的几何模型、各层厚度及介电常数，并对天线罩模型进行网格剖分。如图3(a)和3(b)所示，步骤1中使用CATIA软件建立天线罩3D模型，并使用PATRAN软件对模型进行网格剖分。并选取罩壁截面结构，确定罩壁层数N及各层的相对介电常数ε_rj，各层的损耗角正切tanδ_j和各层厚度d_j，j＝1,...,N，如表1所示。

表1天线罩壁各层相对介电常数及厚度

层数	介电常数	损耗角正切	厚度(mm)	材料
					1	3.2	0.007	0.6	蒙皮
2	3.2	0.007	0.05	胶膜
					3	1.063	0.0035	4.3	芯层
4	3.2	0.007	0.05	胶膜
					5	3.2	0.007	0.6	蒙皮

步骤3，设置远区场观察位置距离天线阵列中心的距离，扫描角范围及扫描步长；

步骤4，天线罩内阵列天线通常用作为接收天线，用于侦查系统，即测量来波方向。根据接收天线与发射天线的互易原理，可以利用口面积分-表面积分方法计算阵列内各天线在罩外远区产生的电场幅值和相位，代替阵列天线接收到的场值和相位值：

使用天线口面电场及磁场数据，利用近场辐射公式计算天线阵列中某个天线等效口面场在天线罩内壁各剖分块上产生的电场和磁场：

$E(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=\frac{jk}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\[\left(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{E}\right)-\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ϵ}}\·}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\left(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{H}\right)\]\·\frac{\exp (-jkr)}{r}ds---\left(1\right)$

$H(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=\frac{jk}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\[\left(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{H}\right)-\sqrt{\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\μ}}\·}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\left(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{E}\right)\]\·\frac{\exp (-jkr)}{r}ds---\left(2\right)$

其中，k代表在2π的空间距离内包含的波长数,称为波数；r代表天线口面中某个剖分块中心点到近场辐射点的距离；表示r方向的单位矢量；是口面的法线方向即TEM波的辐射方向；s表示辐射口径面；和分别代表天线口面上某点处的电场和磁场；μ代表磁导率,ε代表介电常数；E(x',y',z')和H(x',y',z')分别代表天线在天线罩内壁某剖分块中心点(x',y',z')处产生的电场和磁场值。

设天线口面子分块中心点坐标为(x,y,0)，天线罩内壁分块中心点坐标为(x',y',z'),则：

$r=\sqrt{{(x^{\′}-x)}^2+{(y^{\′}-y)}^2+{(z^{\′}-z)}^2}---\left(3\right)$

如图4所示，利用等效传输线理论计算电磁波在水平和垂直极化方式下传输系数：

$T=\frac{2}{(A+B/Z_0)+(Z_{0}C+D)}---\left(4\right)$

其中，Z₀为自由空间的特征阻抗，对于水平极化，其特征阻抗为而对于垂直极化特征阻抗为θ₀指电磁波入射到平板的入射角度；A、B、C、D分别为网络总级联矩阵 $\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]$ 的元素，即:

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_1& B_1\\ C_1& D_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{A}_2& B_2\\ C_2& D_2\end{array}\right]...\left[\begin{array}{cc}{A}_n& B_n\\ C_n& D_n\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中， $\left[\begin{array}{cc}{A}_i& B_i\\ C_i& D_i\end{array}\right]$ 表示总数为n层的平板第i层介质平板的传输矩阵，具体可以表示为：

$\left[\begin{array}{cc}{A}_i& B_i\\ C_i& D_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{chj\γ}}_i{d}_i& Z_i{\mathrm{shj\γ}}_i{d}_i\\ {\mathrm{shj\γ}}_i{d}_i/Z_i& {\mathrm{chj\γ}}_i{d}_i\end{array}\right]---\left(6\right)$

其中，d_i为第i层介质平板的均匀传输线的长度；γ_i为第i层介质平板的均匀传输线上波的传播常数；γ_id_i＝α_id_i+jβ_id_i，α_i为第i层介质平板的衰减因子，β_i为第i层介质平板的相位因子；Z_i为第i层介质平板的传输线的特性阻抗。

如图5所示，首先将内表面电磁场分解成垂直极化和水平极化分量，然后两个分量分别乘以上述计算得到的不同传输系数，得到天线罩外壁垂直极化和水平极化情况下的电磁场，最后通过不同极化分量进行矢量合成得到天线罩外表面电场和磁场。

在天线罩外表面合成的电场为：

${\stackrel{\→}{E}}^t=({\stackrel{\→}{E}}_{\left|\right|}\·\stackrel{\→}{G})\stackrel{\→}{G}{T}_{\left|\right|}+({\stackrel{\→}{E}}_{\⊥}\·\stackrel{\→}{D})\stackrel{\→}{D}{T}_{\⊥}---\left(7\right)$

在天线罩外表面合成的磁场为：

${\stackrel{\→}{H}}^t=({\stackrel{\→}{H}}_{\left|\right|}\·\stackrel{\→}{G})\stackrel{\→}{G}{T}_{\⊥}+({\stackrel{\→}{H}}_{\⊥}\·\stackrel{\→}{D})\stackrel{\→}{D}{T}_{\left|\right|}---\left(8\right)$

其中，通过计算平板法线方向以及电磁波传输方向得到垂直极化矢量水平极化矢量T_//是指水平极化传输系数，T_⊥指垂直极化传输系数。和分别代表天线罩内壁剖分块上电场水平极化分量及垂直极化分量；和分别代表天线罩内壁剖分块上磁场水平极化分量及垂直极化分量。和分别表示天线罩外壁剖分块上电场和磁场值。

通过天线罩外表面积分和远场辐射公式得到有天线罩情况下，天线在观察方向上产生的辐射远场。进行天线罩表面积分时使用三角面元拟合天线罩外形，而三角面元本身就是一个平面，所以也满足辐射口径面S必须为平面的条件，综上所述，远区场某一点电磁场的求解公式如下：

$E_{out}(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=\frac{jk}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫}{\stackrel{\→}{u}}_p\×\[\left({\stackrel{\→}{n}}_{rad}\×{\stackrel{\→}{E}}_{rad}\right)-\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ϵ}}\·}{\stackrel{\→}{u}}_p\×\left({\stackrel{\→}{n}}_{rad}\×{\stackrel{\→}{H}}_{rad}\right)\]\·\frac{\exp (-jkp)}{p}ds---\left(9\right)$

$H_{out}(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=\frac{jk}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫}{\stackrel{\→}{u}}_p\×\[\left({\stackrel{\→}{n}}_{rad}\×{\stackrel{\→}{H}}_{rad}\right)-\sqrt{\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\μ}}\·}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\left({\stackrel{\→}{n}}_{rad}\×{\stackrel{\→}{E}}_{rad}\right)\]\·\frac{\exp (-jkr)}{r}ds---\left(10\right)$

其中，k代表在2π的空间距离内包含的波长数,称为波数；p代表天线罩外表面某剖分块单元中心点到远场场点的距离；表示p方向的单位矢量；是天线罩外壁某剖分块的法线方向；和分别代表天线罩外壁剖分块上某点处的电场和磁场；μ代表磁导率,ε代表介电常数；E_out(x',y',z')和H_out(x',y',z')分别代表天线罩外壁在远场场点(x',y',z')处产生的电场值和磁场值。

最后，仍然使用远场辐射公式(1)、(2)计算无罩时天线在观察方向上产生的辐射远场，代替无罩时天线作为接收天线接收到的场值。

步骤5，对于一个被天线罩覆盖的天线阵列系统，如图6所示，各天线分别标记为A₁、A₂、…、A_x。对天线阵列中任意天线A_k，当频率、极化方式、俯仰角和方位角一定的情况下，带天线罩时远区电场的相位记为不带天线罩时相位记为带罩的相位与不带罩的相位的差值便为此天线的插入相位移IPD，记为

步骤6，计算相位误差，即两两天线插入相位移的差值。对于天线阵，将各天线单元对应的IPD两两相减得到得到两两位置的相位误差：

天线罩给不同位置的天线带来了不同的插入相位移，在天线阵列-天线罩设计中，应当尽量减小天线罩不同位置处插入相位移的变化幅度，这样可以减小天线罩给不同位置天线带来的相位误差，进而减小天线罩对内部天线阵测向精度的影响。

步骤7，已知天线罩给任意两天线带来的相位误差(a，b＝1，2，…x)一定满足以下条件：

其中，x表示天线阵列中天线的总个数。

将天线阵列系统中任意两天线的相位误差的平均值记为表示为：

则天线罩的相位不一致性定义为：

最后使用计算得到的相位不一致性，可以衡量天线罩对内部天线阵列测向精度的影响。

实施例1：本实施例中以某款天线阵列-天线罩系统为例，来详细说明本方法，其天线阵列位置如表2所示。本次实施例中，系统工作频段为2～18GHz，天线罩内为五元天线阵列，构成干涉仪测向系统，采用长短基线原理实现测向。该实例中天线阵列示意图如图7所示，若以天线罩中心为坐标原点，则按照表格2定义各个天线的坐标，天线单元选择均匀口面。本实施例中天线罩使用正切卵形，其长L＝1000mm，直径为D₀＝800mm，示意图如图8所示，使用建模软件CATIA建立天线罩模型如图3(a)所示，并使用PATRAN软件进行剖分，得到剖分网格如图3(b)所示。天线罩壁各层相对介电常数及厚度如表1所示。

表2实例1中天线阵列位置(单位：mm)

	a	b	c
				1号天线	113.4	0	0
2号天线	63.9	0	0
				3号天线	0	0	0
4号天线	-156.6	0	0
				5号天线	-47.8	126	0

根据本发明方法得到相位不一致性，图9(a)至(c)分别给出了2GHz、6GHz和10GHz频率下两两天线对应的天线罩的相位不一致性结果。由图观察可知，理论上频率越高，相位不一致性波动程度越大，反映了天线罩带来的测向误差越大。

实施例2：本实施例中以工作于频段0.8～6GHz的四元天线阵列-天线罩系统为例，来详细说明本方法。天线罩内为四元天线阵列，构成干涉仪测向系统。该实例中天线阵列示意图如图10所示，各个基线长度分别为L1＝188mm，L2＝144mm，L3＝239mm，天线单元选择均匀口面。天线罩使用边长1000mm的正方形平板结构天线罩。天线罩壁各层相对介电常数及厚度如表1所示。

为验证相位不一致性衡量测向误差的合理性，在微波暗室中对该四元天线阵列-天线罩系统进行了电性能测试，分别获得了各天线在带天线罩及不带天线罩情况下各天线接收到的相位。0.8GHz、4GHz和6GHz频率下，两两天线对应的相位不一致性结果如图11(a)至(c)所示。根据干涉仪测向原理，根据测得的各天线接收相位计算出信号来波方向，并把计算出的来波方向与实际来波方向的差值作为测向误差。图12分别给出了0.8GHz、4GHz和6GHz频率下的测向误差值。

观察图9及图11可知，理论计算得到的相位不一致性和通过系统测试得到的相位不一致性，都满足频率越高，相位不一致性波动程度越大的特点。且根据图10和图12，验证了相位不一致性和测向误差之间的正相关关系，同时证明了可以运用相位不一致性来衡量由天线罩引起的测向误差，进而衡量天线罩设计的优劣，指导天线罩的设计加工。

本文方法具有以下优势：直接使用相位不一致性衡量天线罩对天线阵列测向精度的影响，且计算结果准确，过程简单且工作量小。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进和变换，所有这些改进和变换都应当属于本发明所附权利要求的保护范围。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种衡量天线罩对天线阵列测向性能影响的方法，其特征在于，通过与测向性能具有正相关系的带天线罩天线阵列系统中两两天线的相位不一致性，来衡量天线罩影响内部天线阵列测向精度，具体为：

步骤1，确定天线工作频率、各个天线口面场数据、天线阵列位置坐标、各天线水平及俯仰角度；

步骤2，建立天线罩结构的几何模型，设置各层厚度及介电常数，并对天线罩模型进行网格剖分；

步骤3，确定天线罩外远区场的观察位置，扫描角范围及扫描步长；

步骤4，利用远场积分公式，计算天线阵列中各天线在罩外远区场产生的电场幅值和相位；

步骤5，对天线阵列中任意天线，计算其带罩远区场电场相位和不带罩远区场电场相位的差值，作为该天线的插入相位移；

步骤6，对天线阵列中任意两天线，计算两者插入相位移的差值，作为该两天线的相位误差；

步骤7，根据步骤6中得到的相位误差，计算相位误差的平均值；对天线阵列中任意两天线，该两天线的相位误差与相位误差平均值的差值，即为带天线罩的天线阵列系统中两两天线的相位不一致性，从而以此衡量系统的测向精度。

2.根据权利要求1所述的一种衡量天线罩对天线阵列测向性能影响的方法，其特征在于，步骤3中天线罩外远区场，距开口面处的距离为r，其中，r>D²/λ，D为天线口面直径，λ为工作波长。

3.根据权利要求1所述的一种衡量天线罩对天线阵列测向性能影响的方法，其特征在于，步骤1中确定天线口面场数据有两种方式：一种采用电磁仿真软件进行计算，另一种采用天线辐射公式直接进行口面场数据计算。

4.根据权利要求1所述的一种衡量天线罩对天线阵列测向性能影响的方法，其特征在于，步骤2中使用CATIA软件建立天线罩结构的几何模型，并使用PATRAN软件对模型进行网格剖分。

5.根据权利要求1所述的一种衡量天线罩对天线阵列测向性能影响的方法，其特征在于，利用口面积分-表面积分方法计算天线阵列中各天线在罩外远区场产生的电场幅值和相位。