CN105486948A - 一种快速提取天线-罩***电性能参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速提取天线-罩***电性能参数的方法，首先设置天线、天线罩、参数，进行天线口面剖分；然后，利用近场辐射公式计算天线在罩内壁的电场与磁场，利用等效传输线理论分别计算电磁波在不同极化条件下的传输系数，根据罩内壁电磁场以及传输系数求得罩外表面的电场和磁场；最后通过罩外表面积分和远区辐射公式得到罩外远区电场辐射方向图，得到天线罩的各项电性能参数。本发明同现有方法相比，将各种天线口面场、各款天线罩模型、各种罩壁结构都等放入相应的库，方便提取调用；控制全局结果的存储；成果图形显示输出；提高了天线罩电性能研究行业查看输出成果的综合效率。

Description

一种快速提取天线-罩***电性能参数的方法

技术领域

本发明涉及一种快速提取天线-罩***电性能参数的方法，属于雷达天线技术领域。

背景技术

随着电子技术的发展，天线罩已经成为天线***的重要组成部分。天线罩应满足综合体电气指标、机械结构强度、抗候性能、使用寿命以及工艺制造成本等复杂的相互矛盾的要求。

现阶段天线罩理论计算分析主要分为解析方法、低频算法、高频算法。解析方法公式推导繁琐复杂，对于非规则的复杂天线罩就很难或者无法得到准确的求解公式。低频算法使用全波分析方法分析结构电磁特性，可以对任意结构形状进行有效分析，其精度高、计算准确，但是运算量大，计算速度慢。目前雷达天线通常工作在较高频段，天线罩电尺寸大，使用低频算法在短时间内更加难以完成，而高频算法能够在计算误差可接受范围内大大提高计算速度。物理光学法又称为口面剖分-表面积分法，作为一种能够满足一定的精度要求，又能够满足普通仿真需求的高频计算方法，被广泛应用于天线罩分析与设计中。

许多电磁仿真软件可用于带罩天线性能计算，如CST、FEKO、HFSS等，但当天线罩尺寸结构较大时存在内存消耗大，时间长等问题，且工作量大，例如改动某一项天线罩结构参数便需要重新建模仿真计算。所以需要一款专用于天线-罩***电性能预测的软件，用户根据软件界面提示输入天线和天线罩参数，由软件实时完成成果展示并存储结果于指定文件夹中。

现有的分析天线-罩***电性能参数方法由于没有完成***的软件设计，存在以下问题：天线口面不能任意选择，天线罩参数设置过程复杂，计算结果需要手动存储，计算进度不可知。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种快速提取天线-罩***电性能参数的方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种快速提取天线-罩***电性能参数的方法，具体步骤如下：

步骤1，确定天线口面场，设置天线工作频率，天线偏移天线罩中心的坐标，水平及俯仰偏转角度；

步骤2，确立天线罩3D几何模型，并对模型进行网格剖分；确定罩壁结构，并设置各层介质电参数；

步骤3，确定天线罩外远区场观察位置，扫描角范围及扫描步长；

步骤4，利用剖分的天线口面场数据，根据近场辐射公式，计算天线在天线罩内壁的电场和磁场；利用等效传输线理论，计算电磁波在不同极化方式下传输系数；将天线罩内壁电磁场分解成垂直极化和水平极化分量，利用对应传输系数得到天线罩外壁垂直极化和水平极化下的电磁场，通过不同极化分量的矢量合成得到天线罩外表面电场和磁场的合成场；

步骤5，通过天线罩外表面积分和辐射公式，得到有天线罩情况下，在观察方向上的辐射远场；

步骤6，计算无罩时天线在观察方向上产生的辐射远场；比较有罩和无罩时的远区电场方向图，并提取不同扫描角下电性能参数。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2中使用CATIA软件建立天线罩3D几何模型，并使用PATRAN软件对模型进行网格剖分。

作为本发明的进一步优化方案，步骤3中天线罩外远区场，距开口面处的距离为r，其中，r>D²/λ，D为天线口面直径，λ为工作波长。

作为本发明的进一步优化方案，步骤4中利用剖分的天线口面场数据，根据近场辐射公式，计算天线在天线罩内壁各剖分块上产生的电场和磁场，具体为：

$E(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=\frac{jk}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\[\left(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{E}\right)-\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ϵ}}\·}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\left(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{H}\right)\]\·\frac{\exp (-jkr)}{r}ds$

$H(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=\frac{jk}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\[\left(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{H}\right)-\sqrt{\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\μ}}\·}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\left(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{E}\right)\]\·\frac{\exp (-jkr)}{r}ds$

其中，k代表在2π的空间距离内包含的波长数；表示r方向的单位矢量；是口面的法线方向即TEM波的辐射方向；和分别代表天线口面上某点处的电场和磁场；μ代表磁导率,ε代表介电常数；E(x',y',z')和H(x',y',z')分别代表天线在天线罩内壁某剖分块中心点(x',y',z')处产生的电场和磁场值；r代表天线口面中某个剖分块中心点到近场辐射点的距离。

作为本发明的进一步优化方案，步骤1中还包括由FEKO或者HFSS软件建立天线的模型。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)天线口面参数可以任意选择，天线罩参数设置过程简单，所有的参数设置都在界面显示，方便用户使用；

(2)计算结果能够根据用户制定路径完成存储，无需进行繁琐的图像保存，且计算过程中实时显示输出成果；

(3)在软件界面设计进度条，可以实时显示计算进度，便于用户了解计算情况。

附图说明

图1为本发明一种天线-罩***电性能参数计算及成果显示的方法的流程图。

图2(a)为标准角锥喇叭天线口面电场模型。

图2(b)为标准角锥喇叭天线口面磁场模型。

图2(c)为标准角锥喇叭天线等效口面电场网格剖分后模型。

图2(d)为标准角锥喇叭天线等效口面磁场网格剖分后模型。

图3(a)为由CATIA建立的正切卵形天线罩模型。

图3(b)为由PATRAN对正切卵形天线罩进行网格剖分后的模型。

图4为多层介质的等效传输线模型。

图5为计算天线罩某剖分块外电场和磁场的过程示意图。

图6为本发明的软件实现流程。

图7为本发明实施例中使用的正切卵形天线罩截面示意图。

图8(a)为本发明实施例中得到的电性能参数结果——方向图。

图8(b)为本发明实施例中得到的电性能参数结果——透波率。

图8(c)为本发明实施例中得到的电性能参数结果——***相位移。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种天线-罩***电性能参数计算及成果显示的方法，包括以下步骤：

步骤1，确定天线口面场，设置天线工作频率，天线偏移天线罩中心的坐标，水平及俯仰偏转角度；

步骤2，确立天线罩3D几何模型，并对模型进行网格剖分；确定罩壁结构，并设置各层介质电参数；

步骤3，确定天线罩外远区场观察位置，扫描角范围及扫描步长；

步骤4，利用剖分的天线口面场数据，根据近场辐射公式，计算天线在天线罩内壁的电场和磁场；利用等效传输线理论，计算电磁波在不同极化方式下传输系数；将天线罩内壁电磁场分解成垂直极化和水平极化分量，利用对应传输系数得到天线罩外壁垂直极化和水平极化下的电磁场，通过不同极化分量的矢量合成得到天线罩外表面电场和磁场的合成场；

步骤5，通过天线罩外表面积分和辐射公式，得到有天线罩情况下，在观察方向上的辐射远场；

步骤6，计算无罩时天线在观察方向上产生的辐射远场；比较有罩和无罩时的远区电场方向图，并提取不同扫描角下电性能参数。

在上述步骤1中，选择天线类型，设置天线各项参数。如图2(a)至2(d)所示，该喇叭天线模型由FEKO或者HFSS等商用软件建立，计算天线辐射方向某块矩形或圆形口面的电场和磁场数据，用于等效原天线。其他类型天线同理计算等效口面，所有天线的等效口面场数据存储在天线库中供用户选择。用户完成口面场选择后，进行天线工作频率、天线偏移天线罩中心的坐标、水平及俯仰偏转角度等参数设置。

如图3(a)和3(b)所示，步骤2中使用CATIA软件建立天线罩3D模型，并使用PATRAN软件对模型进行三角网格剖分，将导出的网格数据存储于天线罩模型库中，供用户选择。将罩壁蒙皮及芯层介质层数N，各层的相对介电常数ε_rj，j＝1,...,N，各层的损耗角正切tanδ_j和各层厚度d_j，j＝1,...,N等信息以文本形式存储于罩壁结构库中，供用户直接选择，如表1所示。

表1天线罩壁各层相对介电常数及厚度

层数	介电常数	损耗角正切	厚度(mm)	材料
					1	3.2	0.007	0.6	蒙皮
2	3.2	0.007	0.05	胶膜
					3	1.063	0.0035	4.3	芯层
4	3.2	0.007	0.05	胶膜
					5	3.2	0.007	0.6	蒙皮

步骤4具体过程为：使用天线口面场数据，如图2(b)所示，再利用近场辐射公式计算天线等效口面在天线罩内壁各剖分块上产生的电场和磁场：

$E(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=\frac{jk}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\[\left(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{E}\right)-\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ϵ}}\·}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\left(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{H}\right)\]\·\frac{\exp (-jkr)}{r}ds---\left(1\right)$

$H(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=\frac{jk}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\[\left(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{H}\right)-\sqrt{\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\μ}}\·}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\left(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{E}\right)\]\·\frac{\exp (-jkr)}{r}ds---\left(2\right)$

其中，k代表在2π的空间距离内包含的波长数；表示r方向的单位矢量；是口面的法线方向即TEM波的辐射方向；和分别代表天线口面上某点处的电场和磁场；μ代表磁导率,ε代表介电常数；E(x',y',z')和H(x',y',z')分别代表天线在天线罩内壁某剖分块中心点(x',y',z')处产生的电场和磁场值；r代表天线口面中某个剖分块中心点到近场辐射点的距离。

设天线口面子分块中心点坐标为(x,y,0)，天线罩内壁分块中心点坐标为(x',y',z'),则：

$r=\sqrt{{(x^{\′}-x)}^2+{(y^{\′}-y)}^2+{(z^{\′}-0)}^2}---\left(3\right)$

传输系数反映了频率、电磁波入射角及极化特性，无论哪种天线罩，都要求具有高功率传输系数以及低功率反射系数。如图4所示，利用等效传输线理论计算电磁波在水平极化和垂直极化方式下的传输系数，如下：

$T=\frac{2}{(A+B/Z_0)+(Z_{0}C+D)}---\left(4\right)$

其中，Z₀为自由空间的特征阻抗，对于水平极化，其特征阻抗为而对于垂直极化特征阻抗为θ₀指电磁波入射到平板的入射角度；A、B、C、D为网络总级联矩阵 $\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]$ 的元素，即:

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_1& B_1\\ C_1& D_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{A}_2& B_2\\ C_2& D_2\end{array}\right]...\left[\begin{array}{cc}{A}_n& B_n\\ C_n& D_n\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中， $\left[\begin{array}{cc}{A}_i& B_i\\ C_i& D_i\end{array}\right]$ 表示总数为n层的平板第i层介质平板的传输矩阵，具体可以表示为：

$\left[\begin{array}{cc}{A}_i& B_i\\ C_i& D_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{chj\γ}}_i{d}_i& Z_i{\mathrm{shj\γ}}_i{d}_i\\ {\mathrm{shj\γ}}_i{d}_i/Z_i& {\mathrm{chj\γ}}_i{d}_i\end{array}\right]---\left(6\right)$

其中，d_i为第i层介质平板的均匀传输线的长度；γ_i为第i层介质平板的均匀传输线上波的传播常数；γ_id_i＝α_id_i+jβ_id_i，α_i为第i层介质平板的衰减因子，β_i为第i层介质平板的相位因子；Z_i为第i层介质平板的传输线的特性阻抗。

如图5所示，首先将内表面电磁场分解成垂直极化和水平极化分量，然后两个分量分别乘以以上计算得到的不同透过系数，得到天线罩外壁垂直极化和水平极化情况下的电磁场，最后通过不同极化分量进行矢量合成得到天线罩外表面电场和磁场。

在天线罩外表面合成的电场为：

${\stackrel{\→}{E}}^t=({\stackrel{\→}{E}}_{\left|\right|}\·\stackrel{\→}{G})\stackrel{\→}{G}{T}_{\left|\right|}+({\stackrel{\→}{E}}_{\⊥}\·\stackrel{\→}{D})\stackrel{\→}{D}{T}_{\⊥}---\left(7\right)$

在天线罩外表面合成的磁场为：

${\stackrel{\→}{H}}^t=({\stackrel{\→}{H}}_{\left|\right|}\·\stackrel{\→}{G})\stackrel{\→}{G}{T}_{\⊥}+({\stackrel{\→}{H}}_{\⊥}\·\stackrel{\→}{D})\stackrel{\→}{D}{T}_{\left|\right|}---\left(8\right)$

其中，通过计算平板法线方向以及电磁波传输方向得到垂直极化矢量水平极化矢量T_//是指水平极化传输系数，T_⊥指垂直极化传输系数。和分别代表天线罩内壁剖分块上电场水平极化分量及垂直极化分量；和分别代表天线罩内壁剖分块上磁场水平极化分量及垂直极化分量。和分别表示天线罩外壁剖分块上电场和磁场值。

步骤5，通过天线罩外表面积分和远场辐射公式得到有天线罩情况下，天线在观察方向上产生的辐射远场。该步骤的具体过程为：进行天线罩表面积分时使用三角面元拟合天线罩外形，而三角面元本身就是一个平面，所以也满足辐射口径面S必须是平面这个条件，综上所述，远区场某一点电磁场的求解公式如下：

$E_{out}(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=\frac{jk}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫}{\stackrel{\→}{u}}_p\×\[\left({\stackrel{\→}{n}}_{rad}\×{\stackrel{\→}{E}}_{rad}\right)-\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ϵ}}\·}{\stackrel{\→}{u}}_p\×\left({\stackrel{\→}{n}}_{rad}\×{\stackrel{\→}{H}}_{rad}\right)\]\·\frac{\exp (-jkp)}{p}ds---\left(9\right)$

$H_{out}(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=\frac{jk}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫}{\stackrel{\→}{u}}_p\×\[\left({\stackrel{\→}{n}}_{rad}\×{\stackrel{\→}{H}}_{rad}\right)-\sqrt{\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\μ}}\·}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\left({\stackrel{\→}{n}}_{rad}\×{\stackrel{\→}{E}}_{rad}\right)\]\·\frac{\exp (-jkr)}{r}ds---\left(10\right)$

其中，k代表在2π的空间距离内包含的波长数,称为波数；p代表天线罩外表面某剖分块单元中心点到远场场点的距离；表示p方向的单位矢量；是天线罩外壁某剖分块的法线方向；和分别代表天线罩外壁剖分块上某点处的电场和磁场；μ代表磁导率,ε代表介电常数；E_out(x',y',z')和H_out(x',y',z')分别代表天线罩外壁在远场场点(x',y',z')处产生的电场值和磁场值。

步骤6中仍然使用远场辐射公式(1)、(2)计算无罩时天线在观察方向上产生的辐射远场，比较有罩和无罩时的远区电场方向图，并且提取天线罩的各项电性能参数。

功率透射系数(|T|²)，反映了频率、电磁波入射角及极化特性。当天线处于工作状态，定义为天线远场空间中某处有罩和无罩的功率分别表示为P₁和P₀，则|T|²表示为:

|T|²＝P₁-P₀(9)

另外，也可用增益损失G(单位为dB)来表示:

G＝10log(|T|²)(10)

功率传输系数开根号对应的就是幅度传输系数T。无论哪种天线罩，都要求具有高功率传输系数以及低功率反射系数。

***相位移(IPD)，反映了天线罩每个位置产生的相位滞后特性，定义为电磁波透过罩壁后的相位与透过相同厚度的自由空间的相位之间的差值。为了简化分析，将幅度传输系数为复数形式

T＝|T|·exp(-iφ_T)(11)

其中，φ_T是幅度传输系数T的复角。

***相位移表示为：

IPD＝φ_T-(2πd/λ)·cosθ(12)

其中，d为罩壁厚度，λ为电磁波波长，θ为电磁波入射角度。

瞄准误差(BSE)，反映了天线-罩组合的尺寸或天线口径函数的变化。瞄准误差反映了真实目标与透过天线罩判断的视线目标之间的角度差值，定义有罩和无罩的波束位置分别为L₁和L₀。则瞄准误差定义为:

BSE＝|L₁-L₀|(14)

本实施例中以某款天线-天线罩***电性能计算为例，来详细说明本发明，本实例以MATLAB为开发语言，设计一个输入界面。具体的如图6所示，用户在界面各个模块完成参数设置：首先在参数设置模块对应编辑框中输入频率、偏移坐标、水平角、俯仰角；然后在观察设置模块输入观察角范围、步长、远场距离、极化方式；之后在天线罩设置模块中，材料文件通过点击“材料”按钮在天线罩壁结构库中选取，同理，天线罩网格数据文件通过点击“结构”按钮在天线罩结构库中选择。天线设置模块中，电场数据文件和磁场数据文件通过点击相应按钮在天线口面场库中选择。之后，通过在图像选择模块中选择需要计算的电性能参数以及图像保存路径。最后，通过初始化按钮以及计算按钮，控制软件进程，计算的状态及进度在进度条模块中实时显示。

本次实施例中，天线罩使用正切卵形,其长L＝1000mm，直径为D₀＝800mm，示意图如图7所示，使用建模软件建立天线罩模型如图3(a)所示，并使用PATRAN软件进行剖分，得到剖分网格，存于天线罩库中，如图3(b)所示。天线选择标准角锥喇叭天线，其口面参数为a＝194.41mm，b＝144.01mm，lH＝342.49mm，lE＝319.99mm，中心频率为9.375GHz。在FEKO中建立天线模型，并提取天线等效口面数据，存于天线库中。天线罩壁各层相对介电常数及厚度如表1所示。按照界面提示，完成以上关键设置，其他参数的设置为***默认值。选择需要计算的电性能参数及其保存路径后即可控制软件开始运行。最终得到相应电性能参数结果如图8(a)、8(b)、8(c)所示，可以看出由于天线罩对天线增益的确存在较大的影响；本文方法计算结果准确，计算时间大大节省，且操作及其方便、直观、通用。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进和变换，所有这些改进和变换都应当属于本发明所附权利要求的保护范围。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种快速提取天线-罩***电性能参数的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，确定天线口面场，设置天线工作频率，天线偏移天线罩中心的坐标，水平及俯仰偏转角度；

步骤2，确立天线罩3D几何模型，并对模型进行网格剖分；确定罩壁结构，并设置各层介质电参数；

步骤3，确定天线罩外远区场观察位置，扫描角范围及扫描步长；

步骤4，利用剖分的天线口面场数据，根据近场辐射公式，计算天线在天线罩内壁的电场和磁场；利用等效传输线理论，计算电磁波在不同极化方式下传输系数；将天线罩内壁电磁场分解成垂直极化和水平极化分量，利用对应传输系数得到天线罩外壁垂直极化和水平极化下的电磁场，通过不同极化分量的矢量合成得到天线罩外表面电场和磁场的合成场；

步骤5，通过天线罩外表面积分和辐射公式，得到有天线罩情况下，在观察方向上的辐射远场；

步骤6，计算无罩时天线在观察方向上产生的辐射远场；比较有罩和无罩时的远区电场方向图，并提取不同扫描角下电性能参数。

2.根据权利要求1所述的一种快速提取天线-罩电性能参数的方法，其特征在于，步骤2中使用CATIA软件建立天线罩3D几何模型，并使用PATRAN软件对模型进行网格剖分。

3.根据权利要求1所述的一种快速提取天线-罩电性能参数的方法，其特征在于，步骤3中天线罩外远区场，距开口面处的距离为r，其中，r>D²/λ，D为天线口面直径，λ为工作波长。

4.根据权利要求1所述的一种快速提取天线-罩电性能参数的方法，其特征在于，步骤4中利用剖分的天线口面场数据，根据近场辐射公式，计算天线在天线罩内壁各剖分块上产生的电场和磁场，具体为：

$E(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=\frac{jk}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\[(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{E})-\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ϵ}}\·}{\stackrel{\→}{u}}_r\×(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{E})\]\·\frac{\exp (-jkr)}{r}ds$

$E(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=\frac{jk}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫}{\stackrel{\→}{u}}_r\×\[(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{E})-\sqrt{\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\μ}}\·}{\stackrel{\→}{u}}_r\×(\stackrel{\→}{n}\×\stackrel{\→}{E})\]\·\frac{\exp (-jkr)}{r}ds$

其中，k代表在2π的空间距离内包含的波长数；表示r方向的单位矢量；是口面的法线方向即TEM波的辐射方向；和分别代表天线口面上某点处的电场和磁场；μ代表磁导率,ε代表介电常数；E(x',y',z')和H(x',y',z')分别代表天线在天线罩内壁某剖分块中心点(x',y',z')处产生的电场和磁场值；r代表天线口面中某个剖分块中心点到近场辐射点的距离。

5.根据权利要求1所述的一种快速提取天线-罩电性能参数的方法，其特征在于，步骤1中还包括由FEKO或者HFSS软件建立天线的模型。