CN116776584B - 考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法，基于金属丝网的结构参数建立金属丝网电磁分析周期单元，根据电磁波对天线抛物面不同位置的入射角度将抛物面划分为不同环，通过分析每一环金属丝网的透射系数和反射系数，将金属丝网等效为一种复合媒质，提取其等效电磁参数；根据所述等效电磁参数建立网状抛物面等效模型，通过设置激励和求解器即可分析网状天线电性能。本发明以精确的周期结构单元模型为基础进行分析，相比以往以金属丝网等效模型的分析方法，本发明是对金属丝网进行精确建模，分析方法计算结果更加精确。将金属丝网等效为一定厚度的实体复合媒质，进行天线电性能分析，分析方法更简洁、分析速度更快。

Description

考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法

技术领域

本发明属于网状天线技术领域，具体涉及考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法。

背景技术

网状天线作为在轨应用最多的星载天线，典型特征是使用金属丝网代替实体金属面反射电磁波，金属丝网的反射性能影响天线电性能。

在以往网状天线电性能分析中，针对金属丝网有两种处理方式：一是将金属丝网当成理想导体，认定金属丝网对电磁波为全反射无透射，二是将金属丝网等效为简易模型，如条带模型或孔径模型等，通过分析等效模型来分析天线电性能。第一种处理方式显然与实际不符，当电磁波入射到金属丝网上时，部分能量会通过网孔透过金属丝网。第二种处理方式也存在偏差，金属丝网线圈之间相互穿套，延展线走向多变，造成金属丝网结构复杂，通过简易等效模型只能在一定程度上反映金属丝网的网孔形状、大小等特征，但是两者之间仍然存在一定差异，所以根据该方式计算结果不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法，解决了以往网状天线电性能分析中，将金属丝网当成理想导体或等效为简易模型，前者未考虑金属丝网对电磁波的透射，后者对金属丝网结构表征不全面，从而导致天线电性能分析不准确的问题。

本发明所采用技术方案是：考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法，基于金属丝网的结构参数建立金属丝网电磁分析周期单元，根据电磁波对天线抛物面不同位置的入射角度将抛物面划分为不同环，通过分析每一环金属丝网的透射系数和反射系数，将金属丝网等效为一种复合媒质，提取其等效电磁参数；根据所述等效电磁参数建立网状抛物面等效模型，通过设置激励和求解器即可分析网状天线电性能。

本发明的特点还在于，

考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法，具体操作步骤如下：

步骤一、用户提供天线参数，所述天线参数包括抛物面尺寸参数、馈源尺寸参数、金属丝网尺寸参数、天线工作频率、金属丝网入射极化角；

步骤二、利用步骤1所述金属丝网尺寸参数，采用三维电磁场仿真软件CST建立金属丝网电磁分析周期单元模型；

步骤三、根据步骤2建立的金属丝网电磁分析周期单元模型，计算金属丝网入射角度变化量对应的反射系数变化量；

步骤四、基于步骤3的计算结果和电磁波对天线抛物面不同位置的入射角度将抛物面划分为不同环；

步骤五、计算每一环金属丝网的透射系数和反射系数，由此求出每一环金属丝网的等效电磁参数；

步骤六、根据所述等效电磁参数建立网状抛物面等效模型，根据提供馈源尺寸参数建立馈源模型，通过激励和求解器即可分析网状天线电性能。

步骤一的抛物面尺寸参数包括：正馈抛物面尺寸为：焦距f、母抛物面口径D；偏馈抛物面尺寸为：焦距f、母抛物面口径D、偏置抛物面口径D_e、偏置距离H；所述金属丝网结构参数包括：线圈高度、线圈倾斜角度、线圈横密、针背垫纱针数。

步骤3具体如下：以抛物面边沿对应的入射角度为基准，计算不同入射角度变化量Δα₁对应金属丝网反射系数的变化量Δrf。

步骤四的区域划分具体如下：

根据步骤三的入射角度变化量Δα₁来进行区域划分，抛物面被分为k+1环，假设每一环对应金属丝网的反射系数相同，当电磁波的入射角度变化Δα₁后，抛物面上一点到馈源连线与z轴夹角Ψ的变化量ΔΨ＝2Δα₁，则以Ψ变换量ΔΨ为基准对抛物面进行划分，每一环对应的最大口径X_M及每一环对应入射角度由式(1)进行计算

其中，f为焦距；D为母抛物面口径；

根据步骤四抛物面划分结果，计算每一环金属丝网的透射系数和反射系数，则等效复合媒质的反射系数S₁₁和透射系数S₂₁满足：

其中，n表示复合媒质的等效折射率，k₀表示真空中的波数，d₁表示复合媒质的厚度，S₁₁表示反射系数，S₂₁表示透射系数，中的i表示虚部，e表示数字常数，R₀₁由式(4)计算：

Z表示复合媒质的等效波阻抗，将式(4)带入式(2)和式(3)，则等效波阻抗和等效折射率满足式(5)和式(6)：

式(6)中的式(5)中的正负号选择根据材料的物理特性进行选择，实部Re(Z)>0且虚部Im(Z)<0。

等效媒质的等效磁导率μ和等效介电常数ε根据等效折射率和等效波阻抗计算：

μ＝nZ (7)

ε＝n/Z (8)

联立式(2)～(8)可以求出每一环金属丝网的等效电磁参数。

金属丝网电磁分析周期单元建立方式具体如下：首先获得金属丝网的最小重复单元坐标点，确定最小重复单元曲线，通过矢量叠加获得金属丝网组织结构曲线，其次将金属丝网组织结构曲线离散化，提取金属丝网电磁分析周期单元坐标点，最后基于金属丝网电磁分析周期单元坐标点建立金属丝网电磁分析周期单元。

根据馈源参数建立馈源，根据步骤6等效电磁参数建立网状抛物面等效模型，通过设计激励和求解器即可分析网状天线的远场方向图。

本发明的有益效果是，

1.本发明以精确的金属丝网周期结构单元模型为基础进行分析，相比以往以金属丝网等效模型的分析方法，本发明是对金属丝网是进行精确建模，分析方法计算结果更加精确。

2.本发明是将金属丝网等效为一定厚度的实体的复合媒质，进行天线电性能分析，分析方法更简洁、分析速度更快。

附图说明

图1本发明的方法流程图；

图2是本发明金属丝网周期结构单元结构图；

图3是本发明区域划分示意图；

图4是本发明实施例角锥喇叭天线示意图；

图5(a)是本发明xoz面天线方向图；

图5(b)是本发明yoz面天线方向图。

图中：1、偏置抛物面；2、母抛物面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合说明书附图及具体实施例对本发明作进一步地详细叙述。

实施例1：

考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法，基于金属丝网的结构参数建立金属丝网电磁分析周期单元，根据电磁波对天线抛物面不同位置的入射角度将抛物面划分为不同环，通过分析每一环金属丝网的透射系数和反射系数，将金属丝网等效为一种复合媒质，提取其等效电磁参数；根据所述等效电磁参数建立网状抛物面等效模型，通过设置激励和求解器即可分析网状天线电性能。

实施例2

本发明考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法，具体操作步骤如下：

步骤一、用户提供天线参数，所述天线参数包括抛物面尺寸参数、馈源尺寸参数、金属丝网尺寸参数、天线工作频率、金属丝网入射极化角；

步骤二、利用步骤1所述金属丝网尺寸参数，采用三维电磁场仿真软件CST建立金属丝网电磁分析周期单元模型；

步骤三、根据步骤2建立的金属丝网电磁分析周期单元模型，计算金属丝网入射角度变化量对应的反射系数变化量；

步骤四、基于步骤3的计算结果和电磁波对天线抛物面不同位置的入射角度将抛物面划分为不同环；

步骤五、计算每一环金属丝网的透射系数和反射系数，由此求出每一环金属丝网的等效电磁参数；

步骤六、根据所述等效电磁参数建立网状抛物面等效模型，根据提供馈源尺寸参数建立馈源模型，通过设置激励和求解器即可分析网状天线电性能。

实施例3

下面以角锥喇叭天线为馈源，使用双梳闭口经缎组织金属丝网的偏置网状抛物天线为例，结合附图和具体实施方式，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。图1为本发明的方法流程图，其具体步骤如下：

步骤一、用户提供天线参数

天线参数包括抛物面尺寸参数、馈源尺寸参数、金属丝网尺寸参数、天线工作频率、金属丝网入射极化角。抛物面尺寸参数包括：焦距f、母抛物面口径D、偏置抛物面口径D_e、偏置距离H；馈源结构参数；金属丝网结构参数包括：线圈高度、线圈倾斜角度、线圈横密、针背垫纱针数、

步骤二、建立金属丝网电磁分析周期单元模型

根据用户提供金属丝网结构参数，在CST软件中建立金属丝网电磁分析周期单元，具体操作如下：首先获得金属丝网的最小重复单元坐标点，确定最小重复单元曲线，通过矢量叠加获得金属丝网组织结构曲线，其次将金属丝网组织结构曲线离散化，提取金属丝网电磁分析周期单元坐标点，最后基于金属丝网电磁分析周期单元坐标点，建立金属丝网电磁分析周期单元如图2所示，该模型的具体的建立方式见专利-网状天线金属丝网透射反射系数分析方法，本实施例中设定金属丝直径为0.05mm，金属线圈高度1.5mm，金属纵向密度3.63mm,线圈倾斜角20°，金属丝材料为镍，金属丝网入射极化角为90°。

步骤三、计算金属丝网入射角度变化下反射系数变化量

根据电磁结构周期单元分析不同入射角度变化量Δα₁对应金属丝网反射系数的变化量Δrf。根据计算结果显示，在工作频率11GHz，入射极化角90°，TE极化波入射下，金属丝网入射角度变化量与反射系数变化量关系为：当Δα₁＝1°时，Δrf＝0.015dB,当Δα₁＝2°时，Δrf＝0.030dB,当Δα₁＝3°时，Δrf＝0.045dB,当Δα₁＝4°时，Δrf＝0.059dB,当Δα₁＝5°时，Δrf＝0.073dB,当Δα₁＝6°时，Δrf＝0.087dB，当Δα₁＝7°时，Δrf＝0.101dB。

步骤四、抛物面区域划分

根据电磁波对抛物面不同位置的入射角度不同，将抛物面划分为不同环，假设每一环金属丝网的反射系数相同，由于偏置抛物面是从母抛物面上截取所得，因此仅对母抛物面进行划分。区域划分规则如下：根据步骤三的计算结果可知入射角度变化量为Δα₁＝5°，反射系数Δrf相对较小，则认定入射角度相差5°内的金属丝网的反射系数相同，则根据Δα₁＝5°对抛物面进行区域划分。电磁波的入射角度变化Δα₁后，抛物面上一点到馈源连线与z轴夹角Ψ的变化量ΔΨ＝2Δα₁＝10°，则区域划分示意图如图3所示，假设抛物面被分为k+1环，其中最后一环ΔΨ₁较小，这是因为Ψ_max不是ΔΨ的整数。抛物面每一环的最大口径X_M和每一环的入射角按照式(1)计算，其中每一环的入射角取该环的中间位置对应入射角度为该环的入射角度，使用表示，本实施例中选择母抛物面尺寸为焦距f＝180mm、母抛物面口径D＝600mm，母抛物面可以划分为8环，每一环的参数表1所示。

表1抛物面分环参数

步骤五、金属丝网等效及其等效电磁参数提取

为方便描述金属丝网的电磁特性，将金属丝网等效复合媒质，提取其等效电磁参数(等效介质常数和等效磁导率)，其具体操作如下：根据步骤4抛物面划分结果，计算每一环金属丝网的透射系数和反射系数，则等效复合媒质的反射系数和透射系数满足：

其中n表示复合媒质的等效折射率，k₀表示真空中的波数，d₁表示复合媒质的厚度，S₁₁表示反射系数，S₂₁表示透射系数，中的i表示虚部，e表示数字常数，R₀₁由式(4)计算：

其中Z表示复合媒质的等效波阻抗，将式(4)带入式(2)和式(3)，则等效波阻抗和等效折射率满足式(5)和式(6)：

式(6)中的式(5)中的正负号选择根据材料的物理特性进行选择，通常取：实部Re(Z)>0且虚部Im(Z)<0。

等效媒质的等效磁导率μ和等效介电常数ε根据等效折射率和等效波阻抗计算：

μ＝nZ (7)

ε＝n/Z (8)

联立(2)～(8)可以求出每一环金属丝网的等效电磁参数，本实施例中选择金属丝网入射极化角为90°,金属等效厚度为1mm,则金属丝网的等效电磁参数如表2所示，

表2金属丝网反射系数和透射系数及其等效电磁参数

步骤六、偏置网状抛物面天线电性能分析。

根据用户提供的馈源参数建立馈源，根据步骤6等效电磁参数建立网状抛物面等效模型，使用偏置距离为H，口径为D_e的圆柱面从母抛物面上截取即可建立偏置抛物面，通过设置激励和求解器即可分析网状天线电性能，分析所得天线远场方向图(如图5(a)所示)及增益(如图5(b)所示)，本实施例选择馈源为角锥喇叭天线，其模型示意图如图4所示，其具体尺寸如下：a1＝19.05mm，b1＝9.525mm，D1＝68mm，D2＝47mm，LM＝90mm，LH＝45mm，厚度为2mm，材质为铝，偏置抛物面口径D_e＝250mm、偏置距离H＝145mm，电磁波最大辐射方向与Z轴夹角Ψ₀＝43.88°，工作频率为11GHz。

综上，本发明首先通过建立金属丝网周期结构单元模型，分析入射角度变化量下对应的金属丝网反射系数变化量，其次根据从馈源发射电磁波对抛物面不同区域的入射角度不同，将抛物面划分为不同环；然后通过分析不同环金属丝网的透射系数和反射系数，并根据分析结果将金属丝网等效为具有不同电磁参数的复合媒质；最后，通过建立不同媒质的网状抛物面等效模型及馈源，分析网状抛物面天线的电性能；该方法正馈抛物面同样适用。

Claims (5)

1.考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法，其特征在于，基于金属丝网的结构参数建立金属丝网电磁分析周期单元，根据电磁波对天线抛物面不同位置的入射角度将抛物面划分为不同环，通过分析每一环金属丝网的透射系数和反射系数，将金属丝网等效为一种复合媒质，提取其等效电磁参数；根据所述等效电磁参数建立网状抛物面等效模型，通过设置激励和求解器即可分析网状天线电性能；具体操作步骤如下：

步骤一、用户提供天线参数，所述天线参数包括抛物面尺寸参数、馈源尺寸参数、金属丝网尺寸参数、天线工作频率、金属丝网入射极化角；

步骤二、利用步骤一所述金属丝网尺寸参数，采用三维电磁场仿真软件CST建立金属丝网电磁分析周期单元模型；

步骤三、根据步骤二建立的金属丝网电磁分析周期单元模型，计算金属丝网入射角度变化量对应的反射系数变化量；具体如下：

以抛物面边沿对应的入射角度为基准，计算不同入射角度变化量Δα₁对应金属丝网反射系数的变化量Δrf；

步骤四、基于步骤三的计算结果和电磁波对天线抛物面不同位置的入射角度将抛物面划分为不同环；步骤四的区域划分具体如下：

根据步骤三的入射角度变化量Δα₁来进行区域划分，抛物面被分为k+1环，假设每一环对应金属丝网的反射系数相同，当电磁波的入射角度变化Δα₁后，抛物面上一点到馈源连线与z轴夹角Ψ的变化量ΔΨ＝2Δα₁，则以Ψ变换量ΔΨ为基准对抛物面进行划分，每一环对应的最大口径X_M及每一环对应入射角度由式(1)进行计算

其中，f为焦距；D为母抛物面口径；

步骤五、计算每一环金属丝网的透射系数和反射系数，由此求出每一环金属丝网的等效电磁参数；

步骤六、根据所述等效电磁参数建立网状抛物面等效模型，根据提供馈源尺寸参数建立馈源模型，通过设置激励和求解器即可分析网状天线电性能。

2.根据权利要求1所述的考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法，步骤一所述抛物面尺寸参数包括：正馈抛物面尺寸为：焦距f、母抛物面口径D；偏馈抛物面尺寸为：焦距f、母抛物面口径D、偏置抛物面口径D_e、偏置距离H；所述金属丝网结构参数包括：线圈高度、线圈倾斜角度、线圈横密、针背垫纱针数。

3.根据权利要求1所述的考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法，其特征在于，根据步骤四抛物面划分结果，计算每一环金属丝网的透射系数和反射系数，则等效复合媒质的反射系数S₁₁和透射系数S₂₁满足：

其中，n表示复合媒质的等效折射率，k₀表示真空中的波数，d₁表示复合媒质的厚度，S₁₁表示反射系数，S₂₁表示透射系数，中的i表示虚部，e表示数字常数，R₀₁由式(4)计算：

Z表示复合媒质的等效波阻抗，将式(4)带入式(2)和式(3)，则等效波阻抗和等效折射率满足式(5)和式(6)：

式(6)中的式(5)中的正负号选择根据材料的物理特性进行选择，通常取实部Re(Z)>0且虚部Im(Z)<0；

等效媒质的等效磁导率μ和等效介电常数ε根据等效折射率和等效波阻抗计算：

μ＝nZ (7)

ε＝n/Z (8)

联立式(2)～(8)可以求出每一环金属丝网的等效电磁参数。

4.根据权利要求1所述的考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法，其特征在于，所述金属丝网电磁分析周期单元建立方式具体如下：首先获得金属丝网的最小重复单元坐标点，确定最小重复单元曲线，通过矢量叠加获得金属丝网组织结构曲线，其次将金属丝网组织结构曲线离散化，提取金属丝网电磁分析周期单元坐标点，最后基于金属丝网电磁分析周期单元坐标点建立金属丝网电磁分析周期单元。

5.根据权利要求1所述的考虑金属丝网的网状抛物面天线电性能分析方法，其特征在于，根据所述馈源参数建立馈源，根据步骤六等效电磁参数建立网状抛物面等效模型，通过设计激励和求解器即可分析网状天线的远场方向图。