一種相控陣天線繞射場計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種相控陣天線繞射場計算方法，該方法包括以下步驟，計算相控陣陣元在陣中的輻射場；逐元法求解每個陣元的繞射場；矢量疊加求解相控陣天線繞射場；求解天線輻射場校正系數(shù)；計算校正后的相控陣天線繞射場。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：降低了相控陣天線繞射場的求解難度，將難以求解的相控陣天線近場繞射轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谇蠼獾年囋炀€的遠場繞射,從而可以利用現(xiàn)有繞射理論,大大降低了求解難度。計算精度高，理論上的嚴(yán)謹(jǐn)性保證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。計算效率高，本方法適合開發(fā)計算機并行程序?qū)崿F(xiàn)，即使數(shù)萬個陣元的相控陣天線也能快速獲得結(jié)果。適應(yīng)性好，本方法不依賴于相控陣天線的陣元類型。
【專利說明】一種相控陣天線繞射場計算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于天線與電磁兼容【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種相控陣天線繞射場計算方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 相控陣天線有無慣性掃描和快速變換方向的優(yōu)勢，使雷達性能得到很大提升。由 于電子技術(shù)的進步和電子器件費用的急劇下降，相控陣天線使用場合越來越多，越來越多 的民用平臺裝備了相控陣?yán)走_，用于天氣預(yù)報、導(dǎo)航、探測等。相控陣?yán)走_天線一般包括幾 千個小陣元天線，總功率較大。相控陣天線安裝的平臺上，通常還裝有其他電子設(shè)備，還設(shè) 有人員活動區(qū)。這些位置可能有物體遮擋，為天線非直射區(qū)域，屬于天線輻射場的繞射區(qū) 域。由于總功率較大，在繞射區(qū)域也會產(chǎn)生較大的場強。為進行電磁干擾和電磁安全性分 析，需對這些區(qū)域進行電磁場強預(yù)測。但現(xiàn)有技術(shù)難以準(zhǔn)確、迅速地求解相控陣天線的繞射 場。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)難以準(zhǔn)確、迅速地求解相控陣天線繞射場的問題，提供一種 相控陣天線繞射場計算方法，降低了相控陣天線繞射場的求解難度，并且精度高，計算效率 高，適應(yīng)性好、不依賴于相控陣天線的陣元類型。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種相控陣天線繞射場計算方法， 該方法包括以下步驟，1)計算相控陣陣元在陣中的輻射場；2)逐元法求解每個陣元的繞射 場；3)矢量疊加求解相控陣天線繞射場；4)求解天線輻射場校正系數(shù)；5)計算校正后的相 控陣天線繞射場。
[0005] 按上述技術(shù)方案，所述步驟1)具體包括，以相控陣中心位置處為中心選擇一個邊 長為2 A的正方形，作為相控陣天線子集，A為相控陣天線輻射的電磁波在真空中的波長， 以相控陣中心位置處的陣元為中心陣元，中心陣元施加單位功率的激勵，其他陣元接匹配 負(fù)載，采用有源單元法計算該相控陣天線子集的輻射場，作為中心陣元的輻射場，并作為該 相控陣天線中每一個陣元的輻射場。
[0006] 按上述技術(shù)方案,所述中心陣元到目標(biāo)點位置矢量為r時,E為r位置目標(biāo)點的電 場矢量，中心陣元在r位置目標(biāo)點的輻射電場為，
[0007] r ? E = rExx+ rEyy+ rE；z ⑴
[0008] 其中，r= |r|，r = /7\ /?為r的方向向量，￡!￡44為已的三分量，均為復(fù)數(shù)； 當(dāng)目標(biāo)點空間位置變化時，如?位置，則r'位置的電場為
[0009] Er，= r ? E/r' ? e-jkr, ? ejS (2)
[0010] 其中S為中心陣元在r'位置相對于r位置的相位延遲，由相控陣天線的波束方 向確定；k為相控陣天線的波矢，k = 2ji/A，A為相控陣天線輻射場在真空中的波長，e 為自然對數(shù)，j為復(fù)數(shù)因子，j2 = -1，相控陣天線子集中每個陣元的輻射電場分別為i、 2、…、匕N，根據(jù)電場與磁場的關(guān)系，可獲得相控陣天線子集中每個陣元的輻射磁場 Hj, ' ^ > Hj, ' 2、* * * > Hj, ' ^ 〇
[0011] 按上述技術(shù)方案，所述步驟2)具體包括，對相控陣天線的每一個陣元輻射場進行 繞射場的射線尋跡，根據(jù)一致性繞射理論按照射線軌跡逐一求解每個陣元輻射波瓣的繞射 場，繞射射線尋跡根據(jù)費馬原理及繞射角與入射角相等的性質(zhì)進行求解，射線尋跡獲得射 線軌跡后，根據(jù)一致性繞射理論，求解繞射場，在射線基坐標(biāo)系下，繞射電場為 _2]

【權(quán)利要求】
1. 一種相控陣天線繞射場計算方法，其特征在于，該方法包括以下步驟，1)計算相控 陣陣元在陣中的輻射場；2)逐元法求解每個陣元的繞射場；3)矢量疊加求解相控陣天線繞 射場；4)求解天線輻射場校正系數(shù)；5)計算校正后的相控陣天線繞射場。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣天線繞射場計算方法，其特征在于，所述步驟1)具體 包括，以相控陣中心位置處為中心選擇一個邊長為2 λ的正方形，作為相控陣天線子集，λ 為相控陣天線輻射的電磁波在真空中的波長，以相控陣中心位置處的陣元為中心陣元，中 心陣元施加單位功率的激勵，其他陣元接匹配負(fù)載，采用有源單元法計算該相控陣天線子 集的輻射場，作為中心陣元的輻射場，并作為該相控陣天線中每一個陣元的輻射場。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的相控陣天線繞射場計算方法，其特征在于，所述中心陣元到 目標(biāo)點位置矢量為r時,E為r位置目標(biāo)點的電場矢量,中心陣元在r位置目標(biāo)點的福射電 場為， r -E = rExx-\-rEvy+ rEzz ⑴ 其中，r = I r I，r = /f , r為r的方向向量，Ex、Ey、Ez為E的三分量， 均為復(fù)數(shù)；當(dāng)目標(biāo)點空間位置變化時，如Γ?位置，則r'位置的電場為 Er/ = r · EAi · e_Jkr， · ej5 (2) 其中δ為中心陣元在r'位置相對于1*位置的相位延遲，由相控陣天線的波束方向 確定；k為相控陣天線的波矢，k = 2π/λ，λ為相控陣天線輻射場在真空中的波長，e為 自然對數(shù)，j為復(fù)數(shù)因子，j2 = -l，相控陣天線子集中每個陣元的輻射電場分別為i、 2、…、匕N，根據(jù)電場與磁場的關(guān)系，可獲得相控陣天線子集中每個陣元的輻射磁場 Hj, ' ^ > Hj, ' 2、* * * Λ Hj, ' N0
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的相控陣天線繞射場計算方法，其特征在于，所述步驟2)具 體包括，對相控陣天線的每一個陣元輻射場進行繞射場的射線尋跡，根據(jù)一致性繞射理論 按照射線軌跡逐一求解每個陣元輻射波瓣的繞射場，繞射射線尋跡根據(jù)費馬原理及繞射角 與入射角相等的性質(zhì)進行求解，射線尋跡獲得射線軌跡后，根據(jù)一致性繞射理論，求解繞射 場，在射線基坐標(biāo)系下，繞射電場為
其中，E"、：EL為第η個陣元天線輻射場在繞射點的入射場強，該陣元的和場強為 (η= l，2，···，N)，其中N為該相控陣天線的總陣元數(shù)，Dll、Dl為水平和垂 直方向的繞射場繞射系數(shù)，、Ef為在射線基坐標(biāo)系中，計算目標(biāo)點的繞射電場，其和 場強為Edfl=EJ^EL (η = 1，2,…，N)，A(S)為空間衰減因子，S為繞射點到計算目 標(biāo)點的距離，β為傳輸常量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的相控陣天線繞射場計算方法，其特征在于，所述步驟3)具體 包括，
Et為相控陣天線總繞射電場，Edp Ed2、EdN*別為第1、2、N個天線陣元的繞射電場。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的相控陣天線繞射場計算方法，其特征在于，所述步驟4)具體 包括，相控陣天線的N個陣元疊加可獲得相控陣天線在任一目標(biāo)點的電場Ee、磁場Hh :
以Ee、Hh為基礎(chǔ)的相控陣天線輻射的功率P1為：
S為以天線中心為球心、典型半徑值為1000米的球體表面，dS表示表面微分，#表示共 軛，Re表示求實部；根據(jù)天線輻射的實際總功率P，電場校正系數(shù)為
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的相控陣天線繞射場計算方法，其特征在于，所述步驟5)具體 包括，功率校正后的相控陣天線繞射場為 E' t = k' Et (7)。
【文檔編號】G06F19/00GK104376224SQ201410689749
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】王春, 黃明亮, 宋文武, 謝大剛, 任平 申請人:中國艦船研究設(shè)計中心