一种计算异频多天线电磁场分布的方法及系统与流程

本发明属于电磁场与电磁波技术领域，更具体地，涉及一种计算异频多天线电磁场分布的方法及系统。

背景技术：

计算天线周围电磁场分布有多种方法，其中最常用的一种就是用电磁仿真软件仿真计算。而现存的各大商用电磁仿真软件，如FEKO、CST等，在计算多天线电磁场分布的时候，均只能计算各天线工作在同一频率时的电磁场分布。然而在实际情况下，例如在舰船上的多副天线，它们同时工作在不同的频率下。现有技术无法较为准确地计算舰船上的电磁场分布，从而无法较为准确地研究舰船上的电磁环境对其他电子部件以及船上人员的影响。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和迫切需求，本发明提供了一种计算异频多天线电磁场分布的方法及系统。

一种计算异频多天线电磁场分布的方法，包括以下步骤：

(1)建立实际场景的多天线电磁场仿真模型；

(2)分别单独地对每副天线施加仿真激励，将仿真频率设置为该天线的工作频率，仿真运行多天线电磁场仿真模型，得到该天线单独工作时区域内各点的磁场分布情况；

(3)将各天线单独工作时在各点处X、Y、Z方向上的电磁场分量分别叠加，得到该点复合场在X、Y、Z方向上的分量；

(4)对各点复合场在X、Y、Z方向的分量进行矢量合成，得到异频多天线电磁场分布。

进一步地，所述步骤(3)的具体实现方式为：

(3-1)在区域中任取一点i，根据其x、y、z坐标，读取该点在X、Y、Z方向上的电磁场分量，即X方向上的场强大小|E_xi|及相位Φ_xi、Y方向上的场强大小|E_yi|及相位Φ_yi、Z方向上的场强大小|E_zi|及相位Φ_zi，即

E_xi＝|E_xi|cos(ω_it+Φ_xi)

E_yi＝|E_yi|cos(ω_it+Φ_yi)

E_zi＝|E_zi|cos(ω_it+Φ_zi)

其中，i＝1,2…,n，n为天线数量，ω_i为角频率。

(3-2)将各个点中的X、Y、Z方向的分量叠加起来，得到该点复合场在X、Y、Z方向上的分量，即

E_x＝E_x1+E_x2+...+E_xn

E_y＝E_y1+E_y2+...+E_yn

E_z＝E_z1+E_z2+...+E_zn。

进一步地，所述步骤(4)的具体实现方式为：

(4-1)对各点复合场在X、Y、Z方向上的分量的幅值求平方和，然后求平方根，即得该点处电磁场场强大小

(4-2)计算方位角的正切

(4-3)计算俯仰角的正切

进一步地，所述多天线电磁场仿真模型采用电磁仿真软件FEKO、CST、HFSS中的任意一种构建。

一种计算异频多天线电磁场分布的系统，包括以下模块：

模型构建模块，用于建立实际场景的多天线电磁场仿真模型；

单天线仿真模块，用于分别单独地对每副天线施加仿真激励，将仿真频率设置为该天线的工作频率，仿真运行多天线电磁场仿真模型，得到该天线单独工作时区域内各点的磁场分布情况；

单点磁场叠加模块，用于将各天线单独工作时在各点处X、Y、Z方向上的电磁场分量分别叠加，得到该点复合场在X、Y、Z方向上的分量；

磁场矢量合成模块，用于对各点复合场在X、Y、Z方向的分量进行矢量合成，得到异频多天线电磁场分布。

进一步地，所述单点磁场叠加模块包括：

单点磁场提取子模块，用于在区域中任取一点i，根据其x、y、z坐标，读取该点在X、Y、Z方向上的电磁场分量，即X方向上的场强大小|E_xi|及相位Φ_xi、Y方向上的场强大小|E_yi|及相位Φ_yi、Z方向上的场强大小|E_zi|及相位Φ_zi，即

E_xi＝|E_xi|cos(ω_it+Φ_xi)

E_yi＝|E_yi|cos(ω_it+Φ_yi)

E_zi＝|E_zi|cos(ω_it+Φ_zi)

其中，i＝1,2…,n，n为天线数量，ω_i为角频率，。

单点磁场叠加子模块，用于将各个点中的X、Y、Z方向的分量叠加起来，得到该点复合场在X、Y、Z方向上的分量，即

E_x＝E_x1+E_x2+…+E_xn

E_y＝E_y1+E_y2+…+E_yn

E_z＝E_z1+E_z2+…+E_zn。

进一步地，所述磁场矢量合成模块包括：

电磁场场强计算子模块，用于对各点复合场在X、Y、Z方向上的分量的幅值求平方和，然后求平方根，即得该点处电磁场场强大小

方位角正切计算子模块，用于计算方位角的正切

俯仰角正切计算子模块，用于计算俯仰角的正切

进一步地，所述多天线电磁场仿真模型采用电磁仿真软件FEKO、CST、HFSS中的任意一种构建。

本发明的有益技术效果体现在：

在多天线异频工作的情景下，本发明可以较为准确地计算出空间中的电磁场分布，从而可以较为准确的分析空间电磁场对该空间内的电子部件及人员的影响。

附图说明

图1为本发明计算异频多天线电磁场分布方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的FEKO仿真模型示意图；

图3为本发明实施例中用本发明计算所得复合电场的X分量与用仿真软件计算所得复合电场X分量的对比图；

图4为本发明实施例中用本发明计算所得复合电场的Y分量与用仿真软件计算所得复合电场Y分量的对比图；

图5为本发明实施例中用本发明计算所得复合电场的Z分量与用仿真软件计算所得复合电场Z分量的对比图；

图6为本发明实施例中用本发明计算所得复合电场与用仿真软件计算所得复合电场的对比图；

图7为本发明实施例中用本发明计算所得复合电场方向的方位角与用仿真软件计算所得复合电场方向的方位角对比图；

图8为本发明实施例中用本发明计算所得复合电场方向的俯仰角与用仿真软件计算所得复合电场方向的俯仰角对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的技术思路在于：某一位置处的电磁场是由各电磁场分量通过矢量叠加而成的，本发明将所有的空间电磁场分量分解到x、y、z三个方向上，然后分别在这三个方向上将所有分量相加，即得到了复合场在x、y、z三个方向上分量，再通过矢量合成的法则就能得到复合场的大小和方向。如图1所示，本发明计算异频多天线电磁场分布的方法包括以下步骤：

(1)建立实际场景的多天线电磁场仿真模型。

多天线电磁场仿真模型可采用电磁仿真软件FEKO、CST、HFSS等等。图2给出本发明一个实例，采用电磁仿真软件FEKO构建模型，模型中天线材质为理想导体、天线A1工作频率为f₁、天线A2工作频率为f₂，天线长度为l、天线工作环境为自由空间、近场求解区域如图2灰色区域所示。

(2)分别单独地对每副天线施加仿真激励，将仿真频率设置为该天线的工作频率，仿真运行多天线电磁场仿真模型，得到该天线单独工作时区域内各点的磁场分布情况

在上述模型中，仅对天线A1加激励源，并且将仿真频率设置为f₁，运行仿真模型进行仿真计算，得到天线A1单独工作时，求解区域中各点的场分布情况。

对仿真模型中的天线A2加激励源，并且将仿真频率设置为f₂，运行仿真模型进行仿真计算，得到天线A2单独工作时，求解区域中各点的场分布情况。

按照上述方式，对所有的天线单独施加激励源，将仿真频率设置为该天线的工作频率，仿真运算得到各天线单独工作时区域内各点的磁场分布情况

(3)将各天线单独工作时在各点处X、Y、Z方向上的电磁场分量分别叠加，得到该点复合场在X、Y、Z方向上的分量。本步骤包含以下子步骤：

(3-1)在求解区域中任取一点，取点(x₀,y₀,z₀)，根据其x、y、z坐标，在上述步骤(1-2)中进行的仿真的结果文件中，读取该点的计算结果，即X方向上的场强大小|E_xi|及相位Φ_xi、Y方向上的场强大小|E_yi|及相位Φ_yi、Z方向上的场强大小|E_zi|及相位Φ_zi，即

E_xi＝|E_xi|cos(ω_it+Φ_xi)

E_yi＝|E_yi|cos(ω_it+Φ_yi)

E_zi＝|E_zi|cos(ω_it+Φ_zi)

其中，i＝1,2…,n，n为天线数量，ω_i为角频率

将各个点中的X、Y、Z方向的分量叠加起来，得到该点复合场在X、Y、Z方向上的分量，即

E_x＝E_x1+E_x2+…+E_xn

E_y＝E_y1+E_y2+…+E_yn

E_z＝E_z1+E_z2+…+E_zn

(4)对各点复合场在X、Y、Z方向的分量进行矢量合成，得到异频多天线电磁场分布。本步骤包含以下子步骤：

(4-1)将三个分量的幅值求平方和，然后求平方根，即为该点处电磁场场强大小。即

(4-2)Y方向分量的大小比上X方向分量的大小，得到方位角的正切，即

(4-3)X方向分量与Y方向分量的合矢量大小比上Z方向分量的大小，得到俯仰角的正切，即

鉴于目前仿真计算软件只能计算各天线同频工作的情况，为了方便验证本发明计算结果的正确性，本实例中选取工作频率f₁＝f₂＝20MHz，从而可以拿本发明的计算结果与仿真软件的计算结果对比。仿真软件的计算结果数据如表1-3所示，表中2、3、4列为求解点的位置坐标，5、6列为X方向电场分量的幅值、相位，7、8列为Y方向电场分量的幅值、相位，9、10列为Z方向电场分量的幅值、相位。

表1天线A1单独工作时部分电场数据

表2天线A2单独工作时部分电场数据

表3复合电场部分数据

本实施例中，两天线的长度l＝λ/4，其中λ为工作波长，两天线之间的间距为5λ，取点(-20,-20,0.1)处的电场强度作为计算目标，从图3和图4的数据中，可以找到步骤(3)中所需的数据。将数据代入计算公式，依次完成后续步骤，各步骤计算结果与仿真软件计算结果对比如图3—图8所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。