近場復雜物遮擋下微波天線方向圖快速預測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于艦船電磁兼容領域，具體涉及一種近場復雜物遮擋下微波天線方向圖 快速預測方法。
【背景技術】
[0002] 通常在分析微波天線輻射特性的時候，考慮的是自由空間環(huán)境。有關考慮實際背 景環(huán)境影響的方法相對較少，而實際背景中一旦在天線近場區(qū)出現(xiàn)復雜障礙物（如結構復 雜、材料復雜、尺寸跨度較大），將顯著增加天線輻射能力的預測難度。傳統(tǒng)的積分方程類方 法難以在普通工作站上實現(xiàn)快而有效的預測，典型的高頻方法如物理光學則不易處理介質(zhì) 材料，而采用遠場等效源近似等方法則不適于存在近場相互作用的場景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的問題是，針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，為了在普通工作站上實 現(xiàn)近場復雜障礙物遮擋下微波天線方向圖快速預測，提供一種近場復雜物遮擋下微波天線 方向圖快速預測方法。
[0004] 本發(fā)明解決上述問題采用的技術方案是：
[0005] 近場復雜物遮擋下微波天線方向圖快速預測方法，具體包括如下步驟：
[0006] 1)基于球面波源展開來近似微波天線的近場特性；
[0007] 以坐標原點為圓心，作一個包圍待測天線的最小球，半徑為Rmin，在球外空間，天線 場表示為矢量波函數(shù)和/?〇%漢爐）的加權和，天線場表達式如下：
[0010] 式中，！(rW#)為電場強度矢量，i^·，久的為磁場強度矢量，
為自由空間 波阻抗，μ為介質(zhì)磁導率，ε為介質(zhì)介電常數(shù)，矢量波函數(shù)》漢的采用包含 各奇偶模式的、之》表達，m、η是有限帶寬，滿足-Ν彡m彡Ν，0彡η彡Ν，Ν~k(R_+d)， d取7~10，
為自由空間傳播常數(shù)，w為分析頻率；
[0011] <"、分別為電場和磁場的權系數(shù)，包含了天線場的完整信息，求得權系數(shù) 的展開；
[0012] 同時，將時諧因子eiwt以乘積形式出現(xiàn)在上述天線場表達式中，矢量波函數(shù) 翻:和叫/%久的取為以e]wt為時諧因子的球貝塞爾函數(shù)，對于自由空間傳播常數(shù)k， 進一步明確取為坨2> (λτ)時，表示沿#方向傳播的球面波；
[0013] 2)將步驟1)展開的球面波源與復雜障礙物模型一起構建仿真場景，所述復雜障 礙物模型存在介質(zhì)材料和金屬材料共存復雜性；
[0014] 3)對步驟2)構建的仿真場景采用幾何光學方法進行仿真計算，得到方向圖曲線：
[0016] 式中，Φ為關于X，y，ζ的相位函數(shù)，η (X，y, ζ)為折射率。
[0017] 本發(fā)明的工作原理：通過基于球面波源展開和幾何光學近似方法來計算復雜障礙 物在天線的近場區(qū)對其輻射特性的影響，利用球面波源展開將微波天線展開為球面波的疊 加，再代入復雜障礙物模型，基于可處理介質(zhì)材料的幾何光學方法予以仿真計算，即可在普 通工作站上實現(xiàn)近場復雜障礙物遮擋下微波天線方向圖快速預測。
[0018] 本方法與傳統(tǒng)其它方法在方面的優(yōu)勢相比較為明顯，同時具備以下幾點：
[0019] 1、可處理近場遮擋問題；
[0020] 2、處理問題的材質(zhì)范圍較廣，兼顧導體和介質(zhì)兩種材質(zhì)情況；
[0021] 3、處理問題的電尺度較大（電大尺寸目標），計算速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)其它方法；
[0022] 4、計算精度經(jīng)過試驗檢驗，預測結果與試驗結果較為吻合。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明實施例近場復雜障礙物與微波天線的場景示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明方法仿真計算的三維方向圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明方法仿真計算的二維方向圖與試驗比對結果圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明方法與傳統(tǒng)其它方法的速度對比示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0028] 如圖1所示，假定某一近場復雜障礙物與微波天線（以反射面天線為例）距離為 lm，分析頻率為C波段（中心頻率6GHz，垂直極化），微波天線發(fā)射的電磁波沿水平方向朝 近場復雜障礙物輻射。復雜障礙物包含金屬材料和介質(zhì)材料，其中介電常數(shù)為5+0i。所使 用硬件平臺為聯(lián)想啟天Μ系列工作站，2. 66GHz*8核心，內(nèi)存36GB。參考本發(fā)明所述方法步 驟，可以得到如圖1-3所示的仿真模型和計算結果。從圖3中，我們可以看出預測結果與試 驗結果較為吻合。此外如圖4所示，本方法與傳統(tǒng)其它方法在計算速度方面的優(yōu)勢相比較 為明顯（圖中數(shù)據(jù)為單次方向圖計算時間）。基于上述分析，可以看出利用本方法可以較快 的進行近場障礙物遮擋情況下的微波天線方向圖預測。
[0029] 應理解，上述實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解， 在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，而不 脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍中。
【主權項】
1.近場復雜物遮擋下微波天線方向圖快速預測方法，其特征在于，具體包括如下步 驟： 1) 基于球面波源展開來近似微波天線的近場特性； 以坐標原點為圓心，作一個包圍待測天線的最小球，半徑為R_，在球外空間，天線場表 示為矢量波函數(shù)的加權和，天線場表達式如下：式中，g(r，M)為電場強度矢量，J?(r，0,的為磁場強度矢量，為自由空間波阻 抗，μ為介質(zhì)磁導率，ε為介質(zhì)介電常數(shù)，矢量波函數(shù)丨采用包含各奇 偶模式的》λ.,,、t表達，m、η是有限帶寬，滿足-N彡m彡Ν，0彡η彡Ν，Ν~k (R_+d)，d取 7~10，為自由空間傳播常數(shù)，w為分析頻率；分別為電場和磁場的權系數(shù)，包含了天線場的完整信息，求得權系數(shù)就算出天線場的其他特征參數(shù)，從而將反射面天線的輻射近場近似為球面波源 的展開； 同時，將時諧因子，1以乘積形式出現(xiàn)在上述天線場表達式中，矢量波函數(shù)w(r.久的 和I:取為以，1為時諧因子的球貝塞爾函數(shù)，對于自由空間傳播常數(shù)k，進一步明確 取為I時，表不沿？方向傳播的球面波； 2) 將步驟1)展開的球面波源與復雜障礙物模型一起構建仿真場景，所述復雜障礙物 模型存在介質(zhì)材料和金屬材料共存復雜性； 3) 對步驟2)構建的仿真場景采用幾何光學方法進行仿真計算，得到方向圖曲線：式中，Φ為關于X，y，z的相位函數(shù)，η (X，y, z)為折射率。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種近場復雜物遮擋下微波天線方向圖快速預測方法，具體包括如下步驟：1)基于球面波源展開來近似微波天線的近場特性：以坐標原點為圓心，作一個包圍待測天線的最小球，在球外空間，天線場表示為矢量波函數(shù)的加權和，用電場強度矢量和磁場強度矢量表達，從而將反射面天線的輻射近場近似為球面波源的展開；2)將步驟1)展開的球面波源與復雜障礙物模型一起構建仿真場景，復雜障礙物模型存在介質(zhì)材料和金屬材料共存復雜性；3)對步驟2)構建的仿真場景采用幾何光學方法進行仿真計算，得到方向圖曲線。本發(fā)明可處理近場遮擋問題，處理問題的材質(zhì)范圍較廣、電尺度較大，計算速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，預測結果與試驗結果較為吻合。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105354368
【申請?zhí)枴緾N201510658781
【發(fā)明人】方重華, 程響響, 劉其鳳, 丁凡, 張崎
【申請人】中國艦船研究設計中心
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年10月12日