CN108959777A - 一种阵列天线近场电磁兼容精确预报方法 - Google Patents

Abstract

一种阵列天线近场电磁兼容精确预报方法，包括如下步骤：(1)根据互阻抗矩阵，求解两个平面阵列天线间的阵元耦合及其叠加；(2)根据发射阵列天线的发射功率求解发射阵列天线的端口激励电压，根据被干扰阵列天线的端口响应电流以及被干扰阵列天线的阵元天线的内阻求解被干扰阵列天线的端口激励电压；(3)根据发射阵列天线、被干扰阵列天线的阵元天线独立存在时的表面电流、端口电流，结合典型绕射的测试结果进行输入计算，求解两阵元天线的阻抗，最终预测两个阵列天线间的隔离度。本发明精确预测阵列天线间的耦合和干扰，尤其适用于船舶上平面阵列天线间的电磁兼容精确预测，较传统的一致性绕射理论，显著提高最终隔离度结果的预报精度。

Description

一种阵列天线近场电磁兼容精确预报方法

技术领域

本发明属于舰船电磁兼容技术领域，具体涉及一种阵列天线近场电磁兼容精确预报方法，解决大型平台上阵列天线间隔离度的精确预报问题。

背景技术

阵面天线(平面阵列天线)在工程上得到越来越广泛的应用。各种阵面天线可以安装于船舶等系统平台上。在船舶上设置多部阵面天线时，由于距离相对较近，不同天线间会存在近场电磁耦合，耦合的结果可能会带来电磁干扰，即影响了电磁兼容性。在船舶平台上，为实现最优化布局，需要对阵面天线间的电磁兼容进行精确预测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有阵面天线间的电磁兼容存在的上述不足，提供一种阵列天线近场电磁兼容精确预报方法，精确预测阵列天线间的耦合和干扰，尤其涉及船舶上平面阵列天线间的电磁兼容精确预测模型，较传统的一致性绕射理论，最终的隔离度结果的预报精度显著提高。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种阵列天线近场电磁兼容精确预报方法，已知两个阵列天线的典型物理参数，包括频率、阵元样式、阵元排列方式、功率，以及阵列天线在某平台(如船舶)上的布局情况(即相互的空间关系)，方法包括如下步骤：

(1)求解两个平面阵列天线间的阵元耦合及其叠加：基于互阻抗原理，两个阵列天线的耦合求解表征为一个阵列天线端口的激励电压在另一个阵列天线端口产生的响应电流的求解过程，设定其中一个阵列天线为发射阵列天线，另一个阵列天线为被干扰阵列天线，互阻抗矩阵用来描述多端口网络的端口间的耦合，根据互阻抗矩阵求出两个阵列天线间的耦合参数；

(2)求解激励电压：根据发射阵列天线的发射功率求解发射阵列天线的端口激励电压，根据被干扰阵列天线的端口响应电流I_r以及被干扰阵列天线的阵元天线的内阻Z_g(Z_g为已知量)求解被干扰阵列天线的端口激励电压V_r＝－I_rZ_g；

(3)求解阻抗矩阵：根据发射阵列天线、被干扰阵列天线的阵元天线独立存在时的表面电流、端口电流，结合典型绕射的测试结果进行输入计算，求解两阵元天线的阻抗，最终预测两个阵列天线间的隔离度(即预测两个阵列天线间的耦合和干扰)。

按上述方案，所述步骤(1)具体为：

11)首先求出发射阵列天线的端口电流；

对两个平面阵列天线，发射阵列天线阵元数为N，被干扰阵列天线阵元数为N′，将发射阵列天线和被干扰阵列天线构成的整个系统视为N+N′个端口的线性网络，激励电压和响应电流满足

V＝ZI (1)

式中，V、I、Z分别为两个阵列天线端口的激励电压、响应电流、互阻抗矩阵，V、I、Z又表示为

V_e和V_r分别为发射阵列天线、被干扰阵列天线端口的激励电压矩阵，I_e和I_r分别为发射阵列天线、被干扰阵列天线端口的响应电流矩阵，Z_ee和Z_rr分别为发射阵列天线、被干扰阵列天线的阻抗矩阵，Z_er、Z_re分别为发射阵列天线、被干扰阵列天线的互阻抗矩阵，由于阵列间的互易性，有Z_er＝Z_re；

将式(2)代入式(1)，有

上式中I_r为待求量，Z通过后述式(6)～式(9)求出，V为两阵列天线的端口激励电压，为已知量；

根据发射阵列天线包括N个阵元，则V_e和I_e为

V₁、V₂、…V_N为阵元1、2、…、N的端口激励电压，I₁、I₂、…I_N为阵元1、2、…N的端口响应电流；

根据被干扰阵列天线包括N′个阵元，则V_r和I_r为

V_1′、V_2′、…V_N′为阵元1′、2′、…N′的端口激励电压，I_1′、I_2′、…I_N′为阵元1′、2′、…N′的端口响应电流；

Z_ee、Z_rr、Z_er、Z_re分别为

Z_ij为阵元i与阵元j的互阻抗，式(6)中，i＝1,…,N，j＝1,…,N；式(7)中，i＝1′,…,N′，j＝1′,…,N′；式(8)中，i＝1,…,N，j＝1′,…,N′；式(9)中，i＝1′,…,N′，j＝1,…,N；

根据式(3)，V_e满足

V_e＝Z_eeI_e+Z_erI_r (10)

由于Z_er<<Z_ee和I_er<<I_e，式(10)变为

V_e≈Z_eeI_e (11)

从而有

这样就获得了发射阵列天线端口的响应电流I_e；

12)再根据发射阵列天线端口的响应电流I_e，以及发射阵列天线、被干扰阵列天线间互阻抗矩阵求解被干扰阵列天线端口的响应电流I_r；

根据式(3)，V_r满足

V_r＝Z_reI_e+Z_rrI_r (13)

进一步有

将式(7)、式(9)代入式(14)，从而获得了被干扰阵列天线端口的响应电流I_r，也即是被干扰阵列天线的耦合参数；

用隔离度来衡量发射阵列天线、被干扰阵列天线的阵间互耦，定义为

其中，Γ为隔离度，P_r为发射阵列天线的发射功率，对一个确定的发射阵列天线来说，为已知量；P_s为被干扰阵列天线的接收功率，满足

其中，I_i为被干扰阵列天线的各端口电流，R为被干扰阵列天线阵元激励端的内阻抗。

按上述方案，所述步骤(3)具体为：

31)求解阵元天线独立存在时的表面电流、端口电流

采用计算电磁学中的矩量法来计算阵元天线独立存在时的表面电流J和端口电流i(计算出电流后导出，也可开发基于矩量法的程序，来计算阵元独立存在时的表面电流)；

32)求解阵元天线辐射场

计算出阵元天线独立存在时的表面电流后，根据赫兹偶极子的辐射电场公式计算辐射电场，将阵元天线分成n个三角面片，每个三角面片的电流包括三个分量(J_x,J_y,J_z)，三角面片的面积为Δs，视为X、Y、Z三个方向电流为J_xΔs、J_yΔs、J_zΔs的赫兹偶极子的组合；

在天线理论中，长度Δz、电流密度为I的赫兹偶极子的辐射远场E为

在远场，公式(15)简化为

其中，j为单位虚数，ω为圆频率，r为从赫兹偶极子到指定远场位置的距离，μ为自由空间波阻抗，β为传播常数、θ为俯仰角；

类似的，Z向电流J_zΔs的辐射远场根据下式求得：

X向电流J_xΔs的辐射电场Y向电流J_yΔs的辐射电场在坐标变换(将电流方向变换为Z轴)后根据式(15)求得；

一个三角面片的辐射总电场为阵元天线上所有三角面片辐射的总场为其中分别为第i个三角面片的X向电流、Y向电流、Z向电流的辐射远场；

由于阵列天线反射板的存在，计算阵元天线的辐射场时，除阵元天线上的电流外，还要考虑镜像电流的贡献，当反射板坐标为XOY平面，阵元天线上一个三角面片的电流为(J_xΔs,J_yΔs,J_zΔs)，则镜像电流为(-J_xΔs,-J_yΔs,J_zΔs)，镜像电流辐射电场同样采用前述过程来计算，阵元天线表面电流的辐射总场为阵元表面电流与其镜像源产生的场之和；

33)求解阵元天线绕射场

发射阵列天线阵元天线的辐射场通过绕射进入被干扰阵列，称为绕射场，采用测算关联的思路，即通过测试的手段，实际测出实际结构的典型绕射系数，即在给定入射波在绕射点处的电场场强为单位场强，用探头或天线接频谱仪设备获取给定绕射方向和距离条件下的接收场强，此时即为绕射系数，再以绕射系数作为后续计算的输入之一；

根据UTD理论，阵元天线辐射场的绕射场公式为

其中为阵元天线辐射场在绕射点的场强，空间衰减因子A(s)定义为

通过测量实际结构的绕射场以及入射场计算得出空间衰减因子A(s)，最后换算出绕射系数D_||和D_⊥；

34)求解阵元互阻抗

两阵元i、j的互阻抗为

Eⁱ为阵元j不存在时，阵元i在阵元j位置的入射场；i_i、i_j分别为阵元i、j单独存在且施加激励时的端口电流；J^j为阵元j单独存在时，施加激励后的表面电流，i_i、i_j、J^j根据步骤31)求出，当i、j为同阵列时，Eⁱ根据公式(16)求出，当i、j为异阵列时，Eⁱ根据公式(18)求出。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、精确性，传统方法一般用高频法中的一致性绕射理论(UTD)求解，然而，UTD是针对部分简单几何形状下的绕射计算有一定效果，对复杂外形下的绕射误差相对较大；此外，实际结构的边缘和理想的几何边缘也是有所区别，导致了误差可能趋于增大；为了提高精度，本发明采用测算关联的思路，基于互阻抗的原理计算平面阵列天线间的耦合参数，以实测的典型绕射系数作为计算过程中的绕射项输入，精确求解阵列天线间的耦合；从而较传统的一致性绕射理论给出的绕射项输入更为准确，使得最终的隔离度结果的预报精度显著提高，方法的每一步都基于较为严格的理论，理论上的严谨性保证了计算结果的精确性；

2、高效性，本方法特别适合计算机程序的并行以及GPU加速的实现，这样即使处理较大规模的阵列天线间预测也能高效完成，尤其适用于船舶上平面阵列天线间的电磁兼容精确预测模型，可推广于其他系统平台上阵列天线间的精确耦合预测。

附图说明

图1为本发明实施例分布于舰船结构上的两个平面阵列天线的示意图；

图2为本发明实施例印刷振子天线的示意图；

图3为本发明实施例两阵列天线间隔离度随发射阵列天线的方位角的变化与实测比较图。

图4为本发明实施例两阵列天线间隔离度预测的误差比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参照图1～图2所示，采用本方法计算了典型舰船结构上两平面阵列天线间的隔离度。

图1为分布于舰船结构上的两个平面阵列天线，如图2所示，两个阵列天线的阵元天线均为印刷振子天线，阵元数N、N′均为3000，工作频率均为4GHz，阵元间距为半波长，阵元天线为矩形排列。

本发明实施例用前述方法计算了两阵面天线间隔离度随发射阵面方位角的变化与实测比较。图3为两阵列天线间隔离度随发射阵列天线的方位角的变化与实测比较，结合实测结果可知，本发明方法预测结果明显比传统方法预测结果精度更贴近实测结果。图4为两阵列天线间隔离度预测的误差比较，由图4可知，本发明方法预测结果，隔离度误差绝对值不超过2dB，而传统方法预测结果远超过该范围(3dB～8dB)。进一步验证本发明显著提高了最终的隔离度结果的预报精度。

上述应用仅为本发明的一个较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种阵列天线近场电磁兼容精确预报方法，已知两个阵列天线的典型物理参数，包括频率、阵元样式、阵元排列方式、功率，以及阵列天线在某平台上的布局情况，其特征在于，方法包括如下步骤：

(1)求解两个平面阵列天线间的阵元耦合及其叠加：基于互阻抗原理，两个阵列天线的耦合求解表征为一个阵列天线端口的激励电压在另一个阵列天线端口产生的响应电流的求解过程，设定其中一个阵列天线为发射阵列天线，另一个阵列天线为被干扰阵列天线，互阻抗矩阵用来描述多端口网络的端口间的耦合，根据互阻抗矩阵求出两个阵列天线间的耦合参数；

(2)求解激励电压：根据发射阵列天线的发射功率求解发射阵列天线的端口激励电压，根据被干扰阵列天线的端口响应电流I_r以及被干扰阵列天线的阵元天线的内阻Z_g求解被干扰阵列天线的端口激励电压V_r＝－I_rZ_g；

(3)求解阻抗矩阵：根据发射阵列天线、被干扰阵列天线的阵元天线独立存在时的表面电流、端口电流，结合典型绕射的测试结果进行输入计算，求解两阵元天线的阻抗，最终预测两个阵列天线间的隔离度。

2.如权利要求1所述的一种阵列天线近场电磁兼容精确预报方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：

11)首先求出发射阵列天线的端口电流；

对两个平面阵列天线，发射阵列天线阵元数为N，被干扰阵列天线阵元数为N′，将发射阵列天线和被干扰阵列天线构成的整个系统视为N+N′个端口的线性网络，激励电压和响应电流满足

V＝ZI (1)

式中，V、I、Z分别为两个阵列天线端口的激励电压、响应电流、互阻抗矩阵，V、I、Z又表示为

V_e和V_r分别为发射阵列天线、被干扰阵列天线端口的激励电压矩阵，I_e和I_r分别为发射阵列天线、被干扰阵列天线端口的响应电流矩阵，Z_ee和Z_rr分别为发射阵列天线、被干扰阵列天线的阻抗矩阵，Z_er、Z_re分别为发射阵列天线、被干扰阵列天线的互阻抗矩阵，由于阵列间的互易性，有Z_er＝Z_re；

将式(2)代入式(1)，有

上式中I_r为待求量，Z通过后述式(6)～式(9)求出，V为两阵列天线的端口激励电压，为已知量；

根据发射阵列天线包括N个阵元，则V_e和I_e为

V₁、V₂、…V_N为阵元1、2、…、N的端口激励电压，I₁、I₂、…I_N为阵元1、2、…N的端口响应电流；

根据被干扰阵列天线包括N′个阵元，则V_r和I_r为

V_1′、V_2′、…V_N′为阵元1′、2′、…N′的端口激励电压，I_1′、I_2′、…I_N′为阵元1′、2′、…N′的端口响应电流；

Z_ee、Z_rr、Z_er、Z_re分别为

Z_ij为阵元i与阵元j的互阻抗，式(6)中，i＝1,…,N，j＝1,…,N；式(7)中，i＝1′,…,N′，j＝1′,…,N′；式(8)中，i＝1,…,N，j＝1′,…,N′；式(9)中，i＝1′,…,N′，j＝1,…,N；

根据式(3)，V_e满足

V_e＝Z_eeI_e+Z_erI_r (10)

由于Z_er<<Z_ee和I_er<<I_e，式(10)变为

V_e≈Z_eeI_e (11)

从而有

这样就获得了发射阵列天线端口的响应电流I_e；

12)再根据发射阵列天线端口的响应电流I_e，以及发射阵列天线、被干扰阵列天线间互阻抗矩阵求解被干扰阵列天线端口的响应电流I_r；

根据式(3)，V_r满足

V_r＝Z_reI_e+Z_rrI_r (13)

进一步有

将式(7)、式(9)代入式(14)，从而获得了被干扰阵列天线端口的响应电流I_r，也即是被干扰阵列天线的耦合参数；

用隔离度来衡量发射阵列天线、被干扰阵列天线的阵间互耦，定义为

其中，Γ为隔离度，P_r为发射阵列天线的发射功率，对一个确定的发射阵列天线来说，为已知量；P_s为被干扰阵列天线的接收功率，满足

其中，I_i为被干扰阵列天线的各端口电流，R为被干扰阵列天线阵元激励端的内阻抗。

3.如权利要求2所述的一种阵列天线近场电磁兼容精确预报方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：

31)求解阵元天线独立存在时的表面电流、端口电流

采用计算电磁学中的矩量法来计算阵元天线独立存在时的表面电流J和端口电流i；

32)求解阵元天线辐射场

计算出阵元天线独立存在时的表面电流后，根据赫兹偶极子的辐射电场公式计算辐射电场，将阵元天线分成n个三角面片，每个三角面片的电流包括三个分量(J_x,J_y,J_z)，三角面片的面积为Δs，视为X、Y、Z三个方向电流为J_xΔs、J_yΔs、J_zΔs的赫兹偶极子的组合；

在天线理论中，长度Δz、电流密度为I的赫兹偶极子的辐射远场E为

在远场，公式(15)简化为

其中，j为单位虚数，ω为圆频率，r为从赫兹偶极子到指定远场位置的距离，μ为自由空间波阻抗，β为传播常数、θ为俯仰角；

类似的，Z向电流J_zΔs的辐射远场根据下式求得：

X向电流J_xΔs的辐射电场Y向电流J_yΔs的辐射电场在坐标变换后根据式(15)求得；

一个三角面片的辐射总电场为阵元天线上所有三角面片辐射的总场为其中 分别为第i个三角面片的X向电流、Y向电流、Z向电流的辐射远场；

由于阵列天线反射板的存在，计算阵元天线的辐射场时，除阵元天线上的电流外，还要考虑镜像电流的贡献，当反射板坐标为XOY平面，阵元天线上一个三角面片的电流为(J_xΔs,J_yΔs,J_zΔs)，则镜像电流为(-J_xΔs,-J_yΔs,J_zΔs)，镜像电流辐射电场同样采用前述过程来计算，阵元天线表面电流的辐射总场为阵元表面电流与其镜像源产生的场之和；

33)求解阵元天线绕射场

发射阵列天线阵元天线的辐射场通过绕射进入被干扰阵列，称为绕射场，采用测算关联的思路，即通过测试的手段，实际测出实际结构的典型绕射系数，即在给定入射波在绕射点处的电场场强为单位场强，用探头或天线接频谱仪设备获取给定绕射方向和距离条件下的接收场强，此时即为绕射系数，再以绕射系数作为后续计算的输入之一；

根据UTD理论，阵元天线辐射场的绕射场公式为

其中为阵元天线辐射场在绕射点的场强，空间衰减因子A(s)定义为

通过测量实际结构的绕射场以及入射场计算得出空间衰减因子A(s)，最后换算出绕射系数D_||和D_⊥；

34)求解阵元互阻抗

两阵元i、j的互阻抗为

Eⁱ为阵元j不存在时，阵元i在阵元j位置的入射场；i_i、i_j分别为阵元i、j单独存在且施加激励时的端口电流；J^j为阵元j单独存在时，施加激励后的表面电流，i_i、i_j、J^j根据步骤31)求出，当i、j为同阵列时，Eⁱ根据公式(16)求出，当i、j为异阵列时，Eⁱ根据公式(18)求出。