CN106951607B - 一种用于计算天线之间隔离度的电大平台建模方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种用于计算天线之间隔离度的电大平台建模方法，属于天线领域。因为电大平台的截断是基于物理耦合机制，与原始模型相比，基于物理的截断模型的优势在于它的尺寸变小。与此同时，因为保留了天线之间的关键耦合路径，且没有引入不存在于原始模型的耦合路径，所以使用基于物理的截断模型可以准确地仿真天线之间的隔离度，以显著降低问题的规模并保证仿真精度。最后用多层快速多极子方法(MLFMM)分析截断模型以实现平台上天线之间隔离度的快速仿真。

Description

一种用于计算天线之间隔离度的电大平台建模方法

技术领域

本发明属于天线领域，特别是用于计算电大平台上天线间隔离度的建模方法。

背景技术

为了满足各种无线需求，飞机、轮船、火车等电大平台上安装了大量的天线。天线的性能可能在两个方面受平台的影响。首先,平台可能改变天线的辐射方向图。其次，平台可能提供天线之间的一个耦合路径，从而导致它们之间的相互干扰。为了确保天线的正常工作，分析平台天线的性能是很重要的。因此，人们提出了多种分析电大平台上天线的方法，这些方法可以分为两类。第一类方法用于计算平台天线的辐射方向图。为实现平台天线辐射方向图的高效计算，研究人员发展了各种覆盖低频和高频方法的混合方法。此外，最近提出的等效模型方法利用自由空间天线的辐射方向图计算平台天线辐射方向图，避免了对复杂天线的直接建模。第二类方法用于仿真天线之间的隔离度。矩量法与一致性几何绕射理论的结合，减少了圆柱形平台仿真的计算量，取得了良好的计算效率。同时，行为级仿真与等效推算的引入，简化了平台上天线隔离度的分析。此外，基于互易定理与等效模型法，可以使用天线的辐射方向图计算其隔离度。

尽管取得了上述研究进展，电大平台上天线之间隔离度的仿真仍然需要较长的计算时间，这不能满足天线布局优化的需求。为了提高计算效率，快速积分方程方法中的多层快速多极子方法(MLFMM)通常用来加速计算。然而，如果考虑整个电大平台，多层快速多极子方法仍然需要较长的CPU时间。因此，需要开发新的方法来进一步加速平台上天线之间隔离度的仿真计算。

发明内容

本发明专利首先分析了天线之间的耦合机制并指出了关键耦合路径。然后通过移除远离关键耦合路径的部分来截断电大平台，解决现有技术中计算效率低，时间长的问题。

常见的一种耦合途径是两个天线之间的直达波；以机载天线为例，如图1所示的飞机背部天线与尾翼前方天线之间即可通过直达波耦合；在这种情况下，电磁波在自由空间传播，隔离度的大小取决于两个天线之间的距离。此外，当天线安装在平台上时，平台作为天线反射器，创建另一个耦合途径即反射波；如图1所示的飞机侧翼上方天线与尾翼前方天线，即存在反射波耦合；直达波耦合仅在两个天线是直接可见时存在；然而,即使两个天线不能直接看到对方，也可以通过反射波进行耦合。除了反射波，平台还可能提供另一个耦合路径，即平台的表面绕射产生的表面爬行波；图1中所示的飞机背部与腹部天线之间即可通过表面波产生耦合。表面爬行波是沿着平台弯曲的表面传播的波；在传播路径的每一点，一部分表面爬行波沿表面传播，剩下的部分辐射到自由空间；因此，表面爬行波通常比直达波和反射波弱。除了反射波和表面波，平台还可能提供另一个耦合路径，即边缘绕射波；如图1中所示，当两个天线安装在飞机侧翼的两面，它们可能通过飞机机翼的边缘绕射波产生相互耦合。

因此本发明的技术方案为：一种用于计算天线之间隔离度的电大平台建模方法，该方法包括：

步骤1：判断天线之间直达波的传播路径，选出电大平台上遮挡天线间直达波传播的表面结构；

步骤2：判断天线之间反射波的传播路径，选出电大平台上造成该反射波的表面结构；

步骤3：判断天线之间表面爬行波的传播路径，选出该爬行波路径上的所有电大平台表面结构；

步骤4：判断天线之间边缘绕射波的传播路径，选出该绕射波路径上的所有电大平台表面结构；

步骤5：结合步骤1-4选出的电大平台表面结构构建出该电大平台的部分表面结构，称为截断模型，判断各天线位于该截断模型的位置；

步骤6：若各天线位于步骤5构建的截断模型的中部，则采用步骤5构建的截断模型计算天线间的隔离度；若存在某一个天线未处于步骤5构建的截断模型的中部位置，这将该构建的截断模型沿某一面向完整电大平台模型的方向延伸，直到各天线都位于截断模型的中部位置，将最终得到的截断模型用于计算各天线之间的隔离度。

本发明因为电大平台的截断是基于物理耦合机制，与原始模型相比，基于物理的截断模型的优势在于它的尺寸变小。与此同时，因为保留了天线之间的关键耦合路径，且没有引入不存在于原始模型的耦合路径，所以使用基于物理的截断模型可以准确地仿真天线之间的隔离度，以显著降低问题的规模并保证仿真精度。最后用多层快速多极子方法(MLFMM)分析截断模型以实现平台上天线之间隔离度的快速仿真。

附图说明

图1为为电大平台上天线耦合路径示意图；

图2为直升机原始模型与截断模型对比图；其中a)为直升机原始模型，b)为直升机的截断模型；

图3为原始模型与本发明截断模型隔离度仿真结果对比图。

具体实施方式

尽管多层快速多极子方法比矩量法更加高效，对于电大问题它仍然需要较长的CPU时间。同时，多端口网络的仿真会进一步增加仿真时间。为了加快仿真速度，可以采用高频方法对电大平台进行建模，但高频方法和多层快速多极子方法之间的耦合计算需要较长的计算时间。另一方面，对于天线之间隔离度的仿真，只有对影响天线之间隔离度的那部分平台进行建模才是必要的。因此，通过提取平台中对天线隔离度影响较大的部分，构建平台的截断模型，可以有效地减少未知数的数目。同时，为了保证隔离度仿真的精度，需要充分理解电大平台上天线之间的耦合机制，并在截断模型中保留关键的耦合路径。

直达波是天线在自由空间时即已经存在的耦合路径，但它可能会受到平台的遮挡。反射波，表面爬行波和边缘绕射波是由平台产生的三种耦合路径。因此,天线之间的隔离度受平台的影响。实际上，这四种耦合机制可以共存，并且相互影响。根据直达波与反射波之间的相位差，反射波可能会加强或削弱直达波的强度。表面爬行波和边缘绕射波以类似的方式影响直达波的干扰。

直达波、反射波、表面绕射波和边缘绕射波是电大平台上天线的四种关键耦合机制。只要这四种耦合机制建模正确，就可以实现对天线之间隔离度的准确估计。这四种耦合机制都由平台的特定部分决定。因此，可以仅保留决定耦合机制的那部分对平台进行截断。同时，截断模型不应该引入附加波效应而创建一个不存在于原始模型的耦合路径。为此，一个准确且有效的截断模型应满足以下条件。首先，遮挡直达波的部分以及反射波的反射表面应该保留。其次，对于表面波，表面波传播的表面应该保留在截断模型中。再次，对于边缘绕射波，产生绕射的边缘需要保留。最后重要的是，在对平台进行截断时，截断模型的边缘应该远离天线一个波长，这样不会产生虚构的边缘绕射。根据上述四个标准，可以创建包含原始模型关键耦合机制的截断模型。然后，可以运用多层快速多极子方法分析截断模型，计算天线之间的隔离度。

利用电大平台模型计算天线隔离度的多层快速多极子方法：

针对金属材料的天线和平台，式(1)中的电场积分方程可用于分析其电磁特性

其中S表示天线和平台的表面，

是与S相切的单位向量。

是入射电场，

是S上的感应电流。G是自由空间的格林函数。

和分别是代表场点和源点的向量。使用矩量法(MoM)离散电场积分方程，可从式(1)得到一个线性矩阵方程

Ax＝b (2)其中A是表示基函数之间相互耦合的满阵，x是一个包含未知电流展开系数的向量，b是激励向量。对于天线问题，只有激励端口的激励不为零。

对于小规模的问题,方程(2)可以通过如高斯消元法的直接方法求解。直接方法的存储和计算复杂度分别是O(N²)和O(N³)，其中N是未知数的数目。因此,直接方法对内存和CPU时间的需求阻碍了他们在大规模问题的应用。在这种情况下，通常使用迭代方法将计算复杂度从O(N³)减少至O(MN²)，其中M是迭代次数。然而，迭代方法的内存需求仍然是O(N²)。为了进一步减少存储和计算要求,多层快速多极子方法将一个基函数和其他基函数的相互作用分为两类，远区组和近区组。对于近区组，基函数之间的相互作用是可以计算并保存的。远区组的基函数由八叉树(Oct-Tree)构造的立方体进行分组，然后将格林函数用球面波展开,再用立方体到立方体的方式计算基函数之间的相互作用。相比传统的基函数到基函数计算方式,立方体到立方体的计算方式大大降低了操作的数量。此外,远区组的基函数之间的相互作用可以实时计算而不必存储，从而减少了内存需求。因此，多层快速多极子方法将计算和存储复杂度降低到O(NlogN)，并且它可以用来有效地求解方程(2)。

一旦求解出方程(2)，则可获得激励端口的电流，并且此电流可用于计算天线的导纳。对于多天线情况，计算它们之间的隔离度需要多次仿真。以两个天线为例。两个天线之间的耦合可以视为一个二端口网络的问题，并用如下方程描述

Y₁₁V₁+Y₁₂V₂＝I₁ (3.1)

Y₂₁V₁+Y₂₂V₂＝I₂ (3.2)

其中Y_mn(m≠n)是m和n端口之间的互导纳，Y_mm是端口m的自导纳，V_m是端口m的激励电压，I_m是端口m的电流。对于二端口网络，运行两次仿真便可计算自导纳和互导纳。首先，运行V₁＝1V和V₂＝0的仿真。通过求解方程(2)，获得的端口电流I₁和I₂，分别等于Y₁₁和Y₂₁。其次，在另一个仿真中令V₁＝0和V₂＝1V。从方程(3)，可以看出端口1和2的电流分别是Y₁₂和Y₂₂。通过这两次仿真,可得到二端口网络导纳矩阵的所有元素，并从导纳矩阵计算散射矩阵，从而得到天线之间的隔离度。上述二端口网络的分析方法可以很容易地推广到多端口网络。

完整的电大平台模型与本发明的截断模型的仿真结果：

为了验证所提方法的有效性，选取一般的战斗直升机作为仿真的电大平台模型，模型如图2中a)所示。机身长度、宽度和高度分别是17.85m、1.65m和4.80m。分别将两个偶极子天线放在战斗直升机模型的前机身上方和左侧机翼的上方。其中机身上方天线距机身约0.5m且机翼上方天线距机翼0.16m(如图2中a)所示)。根据所提方法分析这两个偶极子之间的耦合路径，由两个偶极子天线的位置，可知它们之间存在直达波耦合路径；同时，靠近天线的机身或机翼的棱边会造成边缘绕射耦合；此外，天线附近的飞机表面会引起反射波耦合；综上，可知这两个偶极子天线间存在直达波耦合、反射波耦合和边缘绕射波耦合。根据所提方法，在不引入新的耦合路径的前提下，保留上述耦合路径并对直升机进行截断，截断模型如图2中b)所示。采用多层快速多极子方法，分别基于直升机的原始模型和截断模型对两个偶极子天线的隔离度进行仿真。图3给出了原始模型与截断模型计算结果对比图，从图中可以看出两组结果吻合较好，表明了所提方法的有效性。

表1给出了原始模型和截断模型仿真时所用时间和内存的对比，可以看到采用本设计方法，大量减少了多层快速多极子仿真方法计算时的未知量，达到了高效分析电大平台上天线之间隔离度的目的，即在保证计算精度的同时显著降低了仿真计算时间和内存开支，说明了该方法的实用性。

本发明专利提出了一种基于物理的截断模型来减少采用多层快速多极子方法计算电大平台上天线之间隔离度的计算量。分析了四种关键耦合机制，并基于此提出了截断模型的设计准则。给出的数值结果显示了该方法的有效性。

表1.原始模型与截断模型的时间与内存开支对比

模型	未知量数目	时间(min)	内存占用(GB)
				原始模型	34291	143	7.372
截断模型	23728	67	3.938

Claims (1)

1.一种用于计算天线之间隔离度的电大平台建模方法，该方法包括：

步骤1：判断天线之间直达波的传播路径，选出电大平台上遮挡天线间直达波传播的表面结构；

步骤2：判断天线之间反射波的传播路径，选出电大平台上造成该反射波的表面结构；

步骤3：判断天线之间表面爬行波的传播路径，选出该爬行波路径上的所有电大平台表面结构；

步骤4：判断天线之间边缘绕射波的传播路径，选出该绕射波路径上的所有电大平台表面结构；

步骤5：结合步骤1-4选出的电大平台表面结构构建出该电大平台的部分表面结构，称为截断模型，判断各天线位于该截断模型的位置；

步骤6：若各天线位于步骤5构建的截断模型的中部，则采用步骤5构建的截断模型计算天线间的隔离度；若存在某一个天线未处于步骤5构建的截断模型的中部位置，这将该构建的截断模型沿某一面向完整电大平台模型的方向延伸，直到各天线都位于截断模型的中部位置，将最终得到的截断模型用于计算各天线之间的隔离度。

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