CN114880616B - 一种获取瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种获取瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场的方法，属于时域阵列天线技术领域。本发明基于小型阵列天线中单个阵元的时域方向图数据，根据辐射场空间矢量合成原理，采用单阵元辐射场数据与理论近似相结合的混合方法，实现对更大规模阵列天线在任意观察点合成场的近似计算。本发明避免了数值计算方法对大尺寸大规模阵列天线计算的复杂建模过程和庞大的数据量，同时极大地拓展了计算的空间区域，为分析瞬态电磁脉冲阵列天线合成场场强及均匀性、设计和优化阵列天线的规模布局提供有效支撑。

Description

一种获取瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场的方法
技术领域
本发明属于时域阵列天线技术领域，具体涉及一种获取瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场的方法。
背景技术
瞬态电磁脉冲技术是高功率微波领域的前沿课题。在瞬态电磁脉冲辐射技术研究中，由于单一辐射单元的功率容量受器件的物理性能限制且时域方向图波束宽度不能灵活调节，因此多个辐射单元组成阵列进行空间合成是一个重要发展方向。为设计和优化瞬态电磁脉冲阵列天线的规模和布局，使其达到特定的场强分布，需要计算和分析瞬态电磁脉冲阵列天线的辐射场及其均匀性。
上述问题的求解计算通常依赖于数值计算方法，但该方法存在建模复杂、计算量过大、计算周期长、硬件资源要求高等问题，且对于大尺寸大规模阵列天线远距离辐射场的计算，数值方法难以实现，所以瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场的快速计算方法具有研究价值。
因此，需要一种获取瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场的方法，在不依赖数值计算的情况下，能够快速且较为准确地计算任意观察点的辐射场。
发明内容
本发明的目的是提供一种获取瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场的方法，解决现有技术中依靠数值方法获取阵列天线辐射场困难，且大尺寸大规模阵列天线远距离辐射场的获取数值方法难以实现的技术问题。
为达到上述目的，解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种获取瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场的方法，包括以下步骤：
步骤1：设定平面阵列天线的阵元间距dx、dy，其中：dx、dy分别是x、y方向的阵元间距；搭建a×b元子阵，a≥3、b≥3，并采集阵列中心某一阵元在远场距离R处的时域方向图信息；
远场是指场强距离乘积近似不变的区域；
时域方向图信息为球坐标系下单阵元在远场距离R处不同方向上的电场主要包括H面不同/>方向的辐射场/>和E面不同/>方向的辐射场/>其中m、n为正整数，具体数值由所需方向图的角度分辨率确定；将各方向辐射场的时间起点对齐以消除延时，得到H面、E面辐射场分别为/>
步骤2：计算阵列天线各阵元S(i,j)辐射场在观察点P(x,y,z)处空间合成的相对延时Tij；
i，j为阵元在阵列中的行数和列数；
P点距离阵列口面中心为ro，且ro应不小于步骤1中的R，确保待计算观察点位于阵元的远场；
步骤3：计算各阵元S(i,j)在观察点P(x,y,z)处的近似辐射场
步骤3.1：计算观察点P(x,y,z)相对阵元S(i,j)的H面偏角和E面偏角；由于阵元S(i,j)与观察点P(x,y,z)的距离远大于阵元S(i,j)的尺寸，其波程可近似为阵元S(i,j)末端中心(xij,yij,zij)与观察点P(x,y,z)的距离；已知观察点P坐标为(x,y,z)，令则与阵元S(i,j)主轴的H面偏角αij和E面偏角βij
步骤3.2：假设各阵元的时域方向图相同，根据观察点P(x,y,z)与阵元S(i,j)的距离和方位角数据，结合单阵元在主轴R处H面和E面不同偏角方向上的辐射场，计算出各阵元在观察点P(x,y,z)的近似辐射场；
由于各阵元的不一定等于R，根据时域远场的场强距离乘积近似不变的规律，采用公式(3)、(4)分别对H面偏角、E面偏角辐射场进行幅度修正，得到阵元S在|rij|距离上的等效时域方向图信息
根据H面偏角αij近似计算出处的辐射场；当/>且/>与/>之间角度较小时，将/>与/>之间的波形近似为线性渐变，则
同理，根据E面偏角βij近似计算出处的辐射场
在H面偏角αij近似计算得到的处辐射场基础上，再考虑E面偏角βij对辐射场修正，得到阵元S(i,j)在观察点P处的近似辐射场为
其中，为阵元S(i,j)在其主轴距离/>处的辐射场；
步骤4：将所有阵元S(i,j)的近似辐射场延时Tij后叠加合成，计算出观察点P(x,y,z)点的辐射场；
根据步骤3得到所有阵元在观察点的近似辐射场结合步骤2得到的各阵元在观察点P(x,y,z)处空间合成的相对延时Tij，对各阵元在观察点的辐射场进行延时矢量合成，由公式(8)
计算得到瞬态电磁脉冲阵列天线在观察点P(x,y,z)的辐射场。
进一步的，计算不同阵元S(i,j)的辐射场到达观察点P因波程差导致的延时，即为各阵元S(i,j)辐射场在观察点P(x,y,z)处空间合成的相对延时Tij。
进一步的，步骤2～4中的阵列天线能够采用与步骤1阵列间距不同、规模更大的阵列天线，但若采用与步骤1阵列间距相同的阵列天线，计算准确性将更高。
本发明的有效收益如下：
1、本发明提出的一种瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场计算方法，基于辐射场空间矢量合成的原理，采用单阵元辐射场参数数据与理论近似相结合的混合方法，解决了数值计算方法对于大尺寸大规模阵列天线辐射场计算的速度慢、甚至无法计算的问题，且计算结果比较准确。
2、本发明基于小型阵列天线单元时域方向图数据，实现更大规模阵列天线的合成场计算，为分析瞬态电磁脉冲阵列天线合成场场强及均匀性、设计和优化阵列天线的规模布局提供有效支撑。
3、本发明提出的一种瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场计算方法，通过小型阵列的单个阵元时域方向图计算大规模阵列天线的合成场，避免了数值计算方法对大尺寸大规模阵列天线计算的复杂建模过程和庞大的数据量，同时极大地拓展了计算的空间区域。
附图说明
图1为本发明实现的流程示意图；
图2为本发明单个阵元时域方向图数据采集示意图；
图3为本发明实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的阐述和说明。
图1为本发明提供的计算方法流程图，结合图2、图3，一种瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场计算方法，包括以下步骤：
步骤1：设定平面阵列天线的阵元间距dx、dy(dx、dy分别是x、y方向的阵元间距，天线口面位于xoy平面，天线主轴方向为z轴方向)，搭建a×b元子阵(a、b≥3)并采集阵列中心某一阵元在远场距离R处的时域方向图信息，为步骤3提供数据支撑；
图2所示为3×3平面天线阵列，通过实测或者数值计算等方法采集阵元(2,2)的时域方向图信息，即采集不同方向远场距离R处的电场/>主要包括H面不同方向的辐射场/>和E面不同方向/>的辐射场/>将主波形的时间起点对齐以消除延时，得到H面、E面各辐射场分别为/>
步骤2：计算M×N元平面阵列天线任一阵元S(i,j)在观察点P(x,y,z)处空间合成的相对时间差Tij；
以5×6阵列(或M为奇数、N为偶数的阵列)为例，如图3所示，其中阵元为平面天线(同图2)，E面尺寸为wantenna，厚度忽略不计。计算不同阵元S(i,j)的辐射场到达P点因波程差产生的时间差Tsij，即可得到P点处空间合成的相对时间差Tij＝Tsij；由于阵元S与P点的距离远大于阵元的尺寸，其波程可近似为阵元末端中心(xij,yij,zij)与P的距离，其中
已知P点坐标为(x,y,z)，则阵元的波程可由勾股定理算出。
步骤3：计算阵元S(i,j)在观察点P处的近似辐射场
步骤3.1：计算观察点P相对阵元S(i,j)的H面偏角αij和E面偏角βij。如图3所示，令在以/>为半径、(xij,yij,0)为球心的球面上，将/>分别在H面和E面进行投影，投影延长线分别交于球面上的PH和PE点，则αij＝∠PHSA，βij＝∠PESA。计算得到αij和βij分别为
步骤3.2：假设各阵元的时域方向图相同，根据观察点P与阵元S(i,j)的距离和方位角数据，结合单元在主轴R处H面和E面不同偏角方向上的辐射场，计算出各阵元在观察点的近似辐射场。
由于各阵元的不一定为R，根据时域远场的场强距离乘积近似不变的规律，采用公式(4)、(5)分别对H面偏角、E面偏角辐射场进行幅度修正，可得到阵元S在/>距离上的等效时域方向图信息
根据H面偏角αij近似计算出处的辐射场。当/>且/>与/>之间角度较小时，将/>与/>之间的波形近似为线性渐变，则
同理，当时，根据E面偏角βij近似计算出/>处的辐射场波形
在H面偏角αij近似计算得到的处辐射场基础上，再考虑E面偏角βij对波形修正，得到阵元S(i,j)在观察点P处的近似辐射场为
其中，为阵元S(i,j)在其主轴距离/>处的辐射场。
步骤4：将阵元S(i,j)的辐射场延时Tij后叠加合成，计算出阵列在P点的辐射场；
根据步骤3得到所有阵元在P点的近似辐射场并通过步骤2得到的各阵元辐射电磁波到达P点的合成相对时间差Tij，对各阵元在P点的辐射场进行延时平移和矢量合成，由公式(9)计算得到瞬态电磁脉冲阵列天线在观察点P的辐射场
以上是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。凡依本发明技术方案所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种获取瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：设定平面阵列天线的阵元间距dx、dy，其中：dx、dy分别是x、y方向的阵元间距；搭建a×b元子阵，a≥、b≥3，并采集阵列中心某一阵元在远场距离R处的时域方向图信息；
所述远场是指场强距离乘积为不变的区域；
所述时域方向图信息为单阵元在远场距离R处不同球坐标系方向上的电场主要包括H面不同/>方向的辐射场/>和E面不同/>方向的辐射场/>其中m、n为正整数，具体数值由所需方向图的角度分辨率确定；将各方向辐射场的时间起点对齐以消除延时，得到H面、E面辐射场分别为/>
步骤2：计算阵列天线各阵元S(i，j)辐射场在观察点P(x，y，z)处空间合成的延时Tij；
i，j为阵元在阵列中的行数和列数；
P点距离阵列口面中心为ro，且ro应不小于步骤1中的R，确保待计算观察点位于阵元的远场；
步骤3：计算各阵元S(i，j)在观察点P(x，y，z)处的辐射场
步骤3.1：计算观察点P(x，y，z)相对阵元S(i，j)的H面偏角和E面偏角；由于阵元S(i，j)与观察点P(x，y，z)的距离远大于阵元S(i，j)的尺寸，其波程为阵元S(i，j)末端中心(xij，yij，zij)与观察点P(x，y，z)的距离；已知观察点P坐标为(x，y，z)，令则/>与阵元S(i，j)主轴的H面偏角αij和E面偏角βij
步骤3.2：假设各阵元的时域方向图相同，根据观察点P(x,y,z)与阵元S(i,j)的距离和方位角数据，结合单阵元在主轴R处H面和E面不同偏角方向上的辐射场，计算出各阵元在观察点P(x,y,z)的辐射场；
采用公式(3)、(4)分别对H面偏角、E面偏角辐射场进行幅度修正，得到阵元S在|rij|距离上的等效时域方向图信息
根据H面偏角αij计算出处的辐射场；当/>且/>与/>之间角度较小时，将/>与/>之间的波形为线性渐变，则
同理，根据E面偏角βij计算出处的辐射场
在H面偏角αij计算得到的处辐射场基础上，再考虑E面偏角βij对辐射场修正，得到阵元S(i,j)在观察点P处的辐射场为
其中，为阵元S(i,j)在其主轴距离/>处的辐射场；
步骤4：将所有阵元S(i,j)的辐射场的延时Tij合成，计算出观察点P(x,y,z)点的辐射场；
根据步骤3得到所有阵元在观察点的辐射场结合步骤2得到的各阵元在观察点P(x,y,z)处空间合成的延时Tij，对各阵元在观察点的辐射场进行延时矢量合成，由公式(8)
计算得到瞬态电磁脉冲阵列天线在观察点P(x,y,z)的辐射场。
2.根据权利要求1所述的一种获取瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场的方法，其特征在于，计算不同阵元S(i,j)的辐射场到达观察点P因波程差导致的延时，即为各阵元S(i,j)辐射场在观察点P(x,y,z)处空间合成的延时Tij。
3.根据权利要求1或2所述的一种获取瞬态电磁脉冲阵列天线辐射场的方法，其特征在于，所述的步骤2～4中的阵列天线能够采用与步骤1阵列间距不同、规模更大的阵列天线，但若采用与步骤1阵列间距相同的阵列天线，计算准确性将更高。
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