專(zhuān)利名稱(chēng)：船舶大型陣列天線(xiàn)間電磁耦合反衍預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于船舶平臺(tái)系統(tǒng)級(jí)電磁兼容預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種船舶射頻集成狀態(tài)下的大型陣列天線(xiàn)電磁兼容預(yù)測(cè)與優(yōu)化布局 設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
將多組不同功能的大型陣列天線(xiàn)共形安裝在船舶上層建筑上，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的射頻功能和射頻資源的集成靈活調(diào)配，是船舶射頻集成技術(shù)的主要形式，也是船舶射頻技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。然而，由于船載陣列天線(xiàn)發(fā)射功率大、工作頻帶寬，多組陣列天線(xiàn)的緊密布局會(huì)引起相互間嚴(yán)重的電磁耦合干擾，必須在設(shè)計(jì)階段通過(guò)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)指導(dǎo)和支撐陣列天線(xiàn)的優(yōu)化布局。目前，在設(shè)計(jì)階段對(duì)陣列天線(xiàn)領(lǐng)域電磁耦合預(yù)測(cè)主要包括兩種方法仿真計(jì)算和模擬試驗(yàn)。尚存在以下問(wèn)題無(wú)法解決(1)仿真計(jì)算主要采用全波數(shù)值方法，需要對(duì)仿真對(duì)象進(jìn)行全尺度網(wǎng)格離散，對(duì)于船舶大型陣列天線(xiàn)間電磁耦合計(jì)算來(lái)說(shuō)，幾千個(gè)陣元的大規(guī)模相控陣在離散時(shí)會(huì)生成數(shù)億個(gè)網(wǎng)格，如果考慮超大電波長(zhǎng)尺寸的船舶結(jié)構(gòu)，未知數(shù)數(shù)量將超出目前最先進(jìn)計(jì)算機(jī)的求解能力，且方程組求解無(wú)法收斂。因此，數(shù)值方法僅應(yīng)用于百量級(jí)陣元數(shù)量的小型陣列天線(xiàn)自身電磁耦合預(yù)測(cè)。(2)在設(shè)計(jì)研制階段，尚不具備利用完整大型陣列天線(xiàn)開(kāi)展相互間電磁耦合模擬試驗(yàn)的條件，僅可利用局部陣列天線(xiàn)樣機(jī)。局部陣列天線(xiàn)樣機(jī)與完整陣列天線(xiàn)的陣元數(shù)量及波束方向性均不同，存在非線(xiàn)性因素，利用局部陣列天線(xiàn)間的電磁耦合試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確換算完整大型陣列天線(xiàn)間的電磁耦合數(shù)據(jù)。因此，僅采用模擬試驗(yàn)方法尚無(wú)法預(yù)測(cè)船舶大型陣列天線(xiàn)間的電磁耦合特征。檢索國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，船舶大型陣列天線(xiàn)間電磁耦合預(yù)測(cè)方法尚屬空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種船舶大型陣列天線(xiàn)間電磁耦合反衍預(yù)測(cè)方法，適用于船舶平臺(tái)大型陣列天線(xiàn)電磁兼容優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，且不受陣元數(shù)量、船舶結(jié)構(gòu)約束和設(shè)備條件限制。船舶大型陣列天線(xiàn)間電磁耦合反衍預(yù)測(cè)方法，其特征在于它包括以下步驟1)根據(jù)船舶大型陣列天線(xiàn)的類(lèi)型制作局部陣列天線(xiàn)樣機(jī)，局部陣列天線(xiàn)樣機(jī)分為發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)和接收陣列天線(xiàn)樣機(jī)，發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)由發(fā)射陣元天線(xiàn)及其發(fā)射組件組成，接收陣列天線(xiàn)樣機(jī)由接收陣元天線(xiàn)及其接收組件組成；對(duì)局部陣列天線(xiàn)樣機(jī)建立全波電磁仿真模型；根據(jù)需求建造船舶上層建筑模擬鋼結(jié)構(gòu)，模擬鋼結(jié)構(gòu)為仿真模型或?qū)嶋H模型；2)測(cè)試發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)中每個(gè)發(fā)射陣元天線(xiàn)的發(fā)射組件輸出的主頻頻譜和帶外頻譜，獲得發(fā)射組件輸出端頻率和電壓數(shù)據(jù)，作為發(fā)射陣元天線(xiàn)激勵(lì)參數(shù)對(duì)全波電磁仿真模型賦值，用矩量法計(jì)算發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)中每個(gè)發(fā)射陣元天線(xiàn)的表面電流密度和陣元天線(xiàn)間互阻抗，進(jìn)一步求得每個(gè)發(fā)射陣元天線(xiàn)的輻射場(chǎng)；引入一致性繞射理論建立輻射場(chǎng)傳播模型，將積分方程轉(zhuǎn)變?yōu)榫€(xiàn)性方程組，采用矢量疊加求解發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)在上層建筑表面的直射場(chǎng)、反射場(chǎng)和繞射場(chǎng)；3)將發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)和單個(gè)接收陣元天線(xiàn)安裝于上層建筑模擬鋼結(jié)構(gòu)外壁表面，測(cè)試發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)的輻射場(chǎng)，量化分析上層建筑模擬鋼結(jié)構(gòu)外壁表面引起的反射和繞射對(duì)電磁耦合的影響，校驗(yàn)發(fā)射陣列天線(xiàn)輻射場(chǎng)傳播模型；4)將接收陣列天線(xiàn)樣機(jī)平均劃分 為四個(gè)子陣列，分別以單個(gè)接收陣元、單個(gè)子陣列和子陣列組合的方式進(jìn)行接收，獲取接收陣元和子陣列數(shù)量遞增時(shí)，主頻和帶外耦合電平在射頻輸出端的變化規(guī)律，建立接收陣元、接收子陣列數(shù)量與電磁耦合電壓的相關(guān)性模型；5)采用步驟2)中求得的發(fā)射陣元天線(xiàn)間互阻抗，構(gòu)建完整大型發(fā)射陣列天線(xiàn)輻射模型；采用步驟3)中輻射場(chǎng)傳播模型構(gòu)建并校驗(yàn)發(fā)射陣元天線(xiàn)與接收陣元天線(xiàn)之間基于多端口網(wǎng)絡(luò)的互阻抗矩陣函數(shù)，求得發(fā)射陣元天線(xiàn)與接收陣元天線(xiàn)之間的耦合系數(shù)，采用矢量疊加原理求得完整大型發(fā)射陣列天線(xiàn)對(duì)接收陣元的耦合電壓；采用步驟4)中接收陣元、接收子陣列數(shù)量與電磁耦合電壓的相關(guān)性模型，求得完整大型發(fā)射陣列天線(xiàn)輻射場(chǎng)對(duì)完整大型接收陣列天線(xiàn)的電磁耦合電壓。按上述方案，所述步驟1)局部陣列天線(xiàn)樣機(jī)是完整陣列天線(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中研制的原理性天線(xiàn)設(shè)備，所包含的陣元天線(xiàn)數(shù)量通常為完整陣列天線(xiàn)陣元數(shù)量的二十分之一以下，主要用于設(shè)計(jì)階段的系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)，局部陣列天線(xiàn)樣機(jī)與完整陣列天線(xiàn)的工作原理基本相同，但局部陣列天線(xiàn)樣機(jī)比完整陣列天線(xiàn)更容易制造，更方便試驗(yàn)時(shí)反復(fù)拆裝和移動(dòng)。按上述方案，所述步驟2)在發(fā)射陣列天線(xiàn)每個(gè)陣元天線(xiàn)的發(fā)射組件輸出口測(cè)試發(fā)射頻譜，當(dāng)主頻能量過(guò)大導(dǎo)致帶外頻譜分量被底噪淹沒(méi)時(shí)，進(jìn)行主頻抑制或?yàn)V波，以提取帶外頻譜分量，進(jìn)而為陣元天線(xiàn)仿真模型提供激勵(lì)參數(shù)。所述底噪為主頻引起的寬帶噪聲。按上述方案，所述步驟3)用信號(hào)分析儀測(cè)試接收陣列天線(xiàn)樣機(jī)的陣列、陣元耦合頻譜特征，并更換接收陣列天線(xiàn)的安裝位置，提取不同耦合路徑結(jié)構(gòu)、不同頻率對(duì)電磁耦合的量化影響因子，校驗(yàn)發(fā)射陣列天線(xiàn)輻射場(chǎng)傳播模型。按上述方案，所述的步驟4)在利用單個(gè)陣元天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試接收時(shí)，按接收陣列天線(xiàn)極化方式布置接收陣元天線(xiàn)，發(fā)射陣列天線(xiàn)發(fā)射水平波束，并在測(cè)試帶外頻譜時(shí)使用主頻濾波器。發(fā)射組件為陣元天線(xiàn)的射頻激勵(lì)模塊。本發(fā)明的部分工作原理為對(duì)一個(gè)包含N個(gè)陣元的發(fā)射陣列天線(xiàn)A，饋端端口激勵(lì)電壓與電流滿(mǎn)足下式
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權(quán)利要求
1.船舶大型陣列天線(xiàn)間電磁耦合反衍預(yù)測(cè)方法，其特征在于它包括以下步驟1)根據(jù)船舶大型陣列天線(xiàn)的類(lèi)型制作局部陣列天線(xiàn)樣機(jī)，局部陣列天線(xiàn)樣機(jī)分為發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)和接收陣列天線(xiàn)樣機(jī)，發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)由發(fā)射陣元天線(xiàn)及其發(fā)射組件組成，接收陣列天線(xiàn)樣機(jī)由接收陣元天線(xiàn)及其接收組件組成；對(duì)局部陣列天線(xiàn)樣機(jī)建立全波電磁仿真模型；根據(jù)需求建造船舶上層建筑模擬鋼結(jié)構(gòu)，模擬鋼結(jié)構(gòu)為仿真模型或?qū)嶋H模型；2)測(cè)試發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)中每個(gè)發(fā)射陣元天線(xiàn)的發(fā)射組件輸出的主頻頻譜和帶外頻譜，獲得發(fā)射組件輸出端頻率和電壓數(shù)據(jù)，作為發(fā)射陣元天線(xiàn)激勵(lì)參數(shù)對(duì)全波電磁仿真模型賦值，用矩量法計(jì)算發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)中每個(gè)發(fā)射陣元天線(xiàn)的表面電流密度和陣元天線(xiàn)間互阻抗，進(jìn)一步求得每個(gè)發(fā)射陣元天線(xiàn)的輻射場(chǎng)；引入一致性繞射理論建立輻射場(chǎng)傳播模型，將積分方程轉(zhuǎn)變?yōu)榫€(xiàn)性方程組，采用矢量疊加求解發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)在上層建筑表面的直射場(chǎng)、反射場(chǎng)和繞射場(chǎng)；3)將發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)和單個(gè)接收陣元天線(xiàn)安裝于上層建筑模擬鋼結(jié)構(gòu)外壁表面，測(cè)試發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)的輻射場(chǎng)，量化分析上層建筑模擬鋼結(jié)構(gòu)外壁表面引起的反射和繞射對(duì)電磁耦合的影響，校驗(yàn)發(fā)射陣列天線(xiàn)輻射場(chǎng)傳播模型；4)將接收陣列天線(xiàn)樣機(jī)平均劃分為四個(gè)子陣列，分別以單個(gè)接收陣元、單個(gè)子陣列和子陣列組合的方式進(jìn)行接收，獲取接收陣元和子陣列數(shù)量遞增時(shí)，主頻和帶外耦合電平在射頻輸出端的變化規(guī)律，建立接收陣元、接收子陣列數(shù)量與電磁耦合電壓的相關(guān)性模型；5)采用步驟2)中求得的發(fā)射陣元天線(xiàn)間互阻抗，構(gòu)建完整大型發(fā)射陣列天線(xiàn)輻射模型；采用步驟3)中輻射場(chǎng)傳播模型構(gòu)建并校驗(yàn)發(fā)射陣元天線(xiàn)與接收陣元天線(xiàn)之間基于多端口網(wǎng)絡(luò)的互阻抗矩陣函數(shù)，求得發(fā)射陣元天線(xiàn)與接收陣元天線(xiàn)之間的耦合系數(shù)，采用矢量疊加原理求得完整大型發(fā)射陣列天線(xiàn)對(duì)接收陣元的耦合電壓；采用步驟4)中接收陣元、 接收子陣列數(shù)量與電磁耦合電壓的相關(guān)性模型，求得完整大型發(fā)射陣列天線(xiàn)輻射場(chǎng)對(duì)完整大型接收陣列天線(xiàn)的電磁耦合電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶大型陣列天線(xiàn)間電磁耦合反衍預(yù)測(cè)方法，其特征在于 所述步驟1)局部陣列天線(xiàn)樣機(jī)是完整陣列天線(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中研制的原理性天線(xiàn)設(shè)備，所包含的陣元天線(xiàn)數(shù)量為完整陣列天線(xiàn)陣元數(shù)量的二十分之一以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶大型陣列天線(xiàn)間電磁耦合反衍預(yù)測(cè)方法，其特征在于 所述步驟2)在發(fā)射陣列天線(xiàn)每個(gè)陣元天線(xiàn)的發(fā)射組件輸出口測(cè)試發(fā)射頻譜，當(dāng)主頻能量過(guò)大導(dǎo)致帶外頻譜分量被底噪淹沒(méi)時(shí)，進(jìn)行主頻抑制或?yàn)V波，以提取帶外頻譜分量，進(jìn)而為陣元天線(xiàn)仿真模型提供激勵(lì)參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶大型陣列天線(xiàn)間電磁耦合反衍預(yù)測(cè)方法，其特征在于 所述步驟3)用信號(hào)分析儀測(cè)試接收陣列天線(xiàn)樣機(jī)的陣列、陣元耦合頻譜特征，并更換接收陣列天線(xiàn)的安裝位置，提取不同耦合路徑結(jié)構(gòu)、不同頻率對(duì)電磁耦合的量化影響因子，校驗(yàn)發(fā)射陣列天線(xiàn)輻射場(chǎng)傳播模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶大型陣列天線(xiàn)間電磁耦合反衍預(yù)測(cè)方法，其特征在于 所述的步驟4)在利用單個(gè)陣元天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試接收時(shí)，按接收陣列天線(xiàn)極化方式布置接收陣元天線(xiàn)，發(fā)射陣列天線(xiàn)發(fā)射水平波束，并在測(cè)試帶外頻譜時(shí)使用主頻濾波器。
全文摘要
本發(fā)明提供船舶大型陣列天線(xiàn)間電磁耦合反衍預(yù)測(cè)方法，依據(jù)發(fā)射陣列天線(xiàn)對(duì)接收陣列天線(xiàn)陣元的電磁耦合理論，對(duì)發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)和接收陣元天線(xiàn)建立全波電磁模型，并采用一致性繞射理論和基于幅相合成理論的矢量疊加方法對(duì)發(fā)射陣列天線(xiàn)樣機(jī)的耦合場(chǎng)進(jìn)行預(yù)先混合仿真求解；在開(kāi)闊試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行局部陣列天線(xiàn)的電磁耦合試驗(yàn)，將局部陣列天線(xiàn)的電磁耦合試驗(yàn)結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型對(duì)比驗(yàn)證，用實(shí)際條件下的量化因子修正干擾場(chǎng)傳播模型，以保證仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。本發(fā)明方法既發(fā)揮了全波數(shù)值方法的精確性?xún)?yōu)點(diǎn)，又為模擬試驗(yàn)校正提供了接口，通過(guò)反衍計(jì)算解決了理想狀態(tài)下開(kāi)展仿真計(jì)算導(dǎo)致的過(guò)設(shè)計(jì)或欠設(shè)計(jì)問(wèn)題。
文檔編號(hào)H04B7/06GK102386983SQ20111031450
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月17日
發(fā)明者吳楠, 宋東安, 張煒, 王春, 謝大剛 申請(qǐng)人:中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心