专利名称：短波天线辐射场强模型预测方法
技术领域：
本发明涉及一种对大功率短波发射天线装载于复杂平台后产生的辐射场强进行模型预测的方法。
背景技术：
大功率短波发射天线在复杂平台上工作时产生的辐射场强分布一直是复杂平台总体设计最为关注的问题，它直接影响人员、电引爆装置、燃油等的使用安全性能。目前，对大功率的短波发射天线装载于复杂平台后产生的辐射场强的预测方法，主要是通过电磁场计算软件的仿真计算，或对实际天线本身产生的辐射场强进行测量。由于复杂的平台如舰船、飞机的结构及边界条件复杂，利用电磁计算软件计算时，受到计算方法及计算模型的准确度以及计算机容量的限制，计算结果与实际情况误差较大。而对实际天线产生的辐射场强进行测量这种方法，一方面，难以完全模拟天线安装后复杂平台实际的结构环境，而短波发射天线产生的辐射场分布又受结构环境的影响很大，因此由于结构环境等边界条件的差异其测量结果仍然不能准确反映短波天线安装在实际平台后产生的电磁场强分布；另一方面，测量实际天线产生的辐射场强，由于功率大，场强高，会对测试人员的健康安全构成威胁。当平台建好后再进行实际测量，如果实测的短波辐射场强在关键部位超标，就要修改建好的平台，这将非常麻烦，需要耗费大量的人力、时间和费用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种短波天线辐射场强模型预测方法，该方法在实验室条件下进行，不仅能准确预测出大功率短波发射天线布置在复杂平台上产生的辐射场分布特性，而且试验功率小，产生的辐射场强较小，安全性高。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案是根据实际短波天线的结构按1∶n的比例制作短波天线的缩比模型；根据实际被测复杂平台的结构按1∶n的比例制作复杂平台的缩比模型，同时对复杂平台工作的环境和边界条件均根据要求进行模拟；
设置短波天线辐射场强模型预测测试系统，包括有射频功率发射单元、场强数据采集单元和测试控制及数据处理单元三个部分；根据实际天线的工作频率范围和缩比系数，确定模型试验的频率范围和测试频点数，模型试验的频率为实际天线工作频率的n倍，设置射频网络分析仪的频率参量；对入射信号传输损耗进行校准测量，对耦合损耗进行校准测量，对模型天线的反射系数进行校准测量；将缩比模型的短波天线安设于缩比模型的复杂平台，缩比模型的短波天线与短波天线辐射场强模型预测测试系统相接，场强测试传感器用来测试模型天线在复杂平台关键部位产生的模型场强E模；用测试系统的射频信号源输出信号经过射频功率放大器放大后馈送至缩比模型的短波天线，试验频率为实际工作频率的n倍；将场强测试传感器布置在模型关键部位，采集场强测量仪测量的模型场强，连同网络分析仪监测的入射功率值，以数据文件存入数据处理单元的测试控制计算机；改变场强测试传感器的位置，完成模型上所有关键测试点处的辐射场强，并连同相应网络分析仪监测的入射功率值，以数据文件形式存入测试控制计算机；用测试控制计算机中的数据处理模块软件，调用各组校准数据和模型场强数据，计算出实际天线的辐射场强。
按上述方案，可根据计算出的实际天线的辐射场强，按频率-场强的关系形式，绘制场强分布曲线。
按上述方案，所述的缩比模型的缩比比例1∶n通常为1∶20～50。
按上述方案，对平台工作的环境均要根据要求进行模拟，对于海面和地面，可用足够大的金属网或金属板进行模拟，而对于自由空间则需要采用微波暗室进行模拟，平台及天线部分则采取金属良导体(如铜板)制作，主要是制作对电磁波影响较大的平台表面，内部结构可根据模型的机械强度要求进行简化。
馈送至缩比模型天线的射频信号源输出功率为20W～50W，试验频率是实际工作频率的n倍，n＝20～50，与缩比模型的缩比值n相同。
采用网络分析仪分别校准测试系统的信号传输损耗、耦合损耗和模型天线反射系数三个参量，以完成对测试系统的校准，校准数据以数据文件格式存入计算机，供数据处理时调用。
可采用功率计或频谱分析仪或接收机监测模型天线的辐射功率，同时用光纤场强仪测量模型天线在平台模型上各关键部位产生的场强。
模型天线辐射场强与实际天线辐射场强的转换关系的数学模式为 对于测试过程中的校准及数据处理，所采用的方法和机理是利用测试系统中的射频网络分析仪分别测量系统中从定向耦合器的输入端口接至模型天线的电缆端口(含定向耦合器、隔离衰减器、发射电缆)的入射信号传输损耗L入射(dB)、定向耦合器的输入端口接网络分析仪接收端的电缆端口(含定向耦合器、保护衰减器及耦合通道的射频电缆)的耦合损耗L耦合(dB)，以及模型天线的电压反射系数Γ，采用控制计算机控制网络分析仪进行扫频测量，并将校准的数据以校准数据文件的形式存入计算机，待模型天线的场强E1测试完毕后，调用校准数据，并对测试数据进行处理，获得实际天线的辐射场强E分布。对测试数据进行处理的基本原理是基于麦克斯韦方程和模型天线理论。具体推导如下设原天线的电磁场分别为E和H，坐标为X、Y、Z，时间为t，介质的参数为ε、μ、σ；模型天线的电磁场分别为E1和H1，坐标为X1、Y1、Z1，时间为t1，介质参数为ε1、μ1、σ1，原天线尺寸为模型天线尺寸的n倍，则两天线有如下关系X=nX1,Y=nY1,Z=nZ1E=aE1,H=bH1,t=ct1---(1)]]>式中a、b、c为待定比例系数，则有▿=i∂∂x+j∂∂y+k∂∂z=ln(i∂∂x1+j∂∂y1+k∂∂z1)=ln▿l---(2)]]>∂H1∂t1=cb∂H∂t]]>∂E1∂t1=ca∂E∂t---(3)]]>由于原天线和模型天线都应该满足麦克斯韦方程，则▿×H=ϵ∂E∂t+σE---(4)]]>▿×E=-μ∂H∂t---(5)]]>
▿1×H1=×lbH=ϵnabc∂E1∂t1+σnabE1---(6)]]>▿1×E1=n▿×laE=-μnbac∂H1∂t1---(7)]]>可见，要使模型天线的电磁场分布与原尺寸天线具有相同的形式，必须使式(4)、(5)与式(6)、(7)具有相同的形式，即σ1=σnab---(8)]]>μ1=μnbac---(9)]]>ϵ1=ϵnacb---(10)]]>由于原天线与模型天线均在空气中制造和进行研究，且采用相同的电磁单位，则a＝b ε＝ε1μ＝μ1(11)由式(8)～(11)，可得n＝c σ1＝nσ(12)由以上可以看出，如果把天线的尺寸缩小n倍，为了保持与原天线的相似性，应该把周期减小n倍(或把频率提高n倍)，把制造模型天线的材料的电导率提高n倍，由于原天线与模型天线的材料均为良导体的金属，其辐射功率远大于损耗功率，可以忽略因不增大电导率而引入的误差。
因此，原天线与模型天线的各量之间存在如下表所示的关系表1模型天线与原天线量间的相互关系
由于P1＝P/abn2，a＝b
因此有a=lnpp1---(13)]]>即E=aE1=lnpp1E1---(14)]]>式中E为实际天线的辐射场强，E1为模型天线的辐射场强，P为实际天线的辐射功率，P1为模型天线的辐射功率。实际天线的辐射功率为发射机的输出功率P入乘以天线系统的效率η，均为已知；模型天线的辐射功率P1和模型天线辐射场强E1则通过试验测试获得，从而计算获得实际天线的辐射场强E。对测试系统的校准是考虑到测试系统的电缆损耗和模型天线因无天线调谐器时的反射因素对测试数据进行处理，以获得更加准确的模型天线辐射功率P1。
设网络分析仪测量的耦合功率为P1耦合(dBm)，则定向耦合器的输入功率为P0输入(dBm)＝P1耦合(dBm)-L耦合(dBm) (15)模型天线端口的输入功率为P1输入(dBm)＝P0输入(dBm)+L入射(dB)＝P1耦合(dBm)-L耦合(dB)+L入射(dB) (16)由于模型天线的电压反射系数为Γ，则功率反射系数为Γ2，则模型天线的反射功率为P1反射＝P1输入*Γ2(17)由于模型天线为良导体制作，忽略天线的热损耗，则模型天线的辐射功率为P1辐射(W)＝P1输入-P1反射＝P1输入*(1-Γ2) 因此， 式(19)即为从模型天线辐射场强至实际天线辐射场强的转换关系。
本发明的有益效果是1、可以在实验室条件下，通过对测试系统的校准和对模型天线辐射场强数据的处理，在设计阶段准确地预测大功率短波发射天线布置在复杂平台后，在关键部位产生的辐射场强；2、测试发射功率小，对测试人员不构成电磁安全性威胁；3、使用方便，测试费用较低。
图1是本发明一个实施例的流程框图。
图2是本发明入射信号传输损耗校准测量框图。
图3是本发明耦合损耗校准测量框图。
图4是本发明模型天线反射系数校准测量框图。
图5是本发明短波天线辐射场强模型预测测试系统的结构原理框图。
图6是平台模型上某测试点测得的模型天线辐射产生的场强-频率曲线。
图7为根据本方法计算转换为实际平台上对应该测试点预测的实际天线辐射产生的场强-频率曲线。
具体实施例方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
1)首先要根据实际天线的工作频率及测试仪器的工作频率范围，确定模型缩比系数为20，采用铜或镀锌铁皮等良导体制作复杂平台及天线的缩比模型。制作复杂平台模型时，重点考虑对天线辐射影响较大的金属外形及上层建筑壳体，平台内部可根据模型结构需要进行简化制作；模型天线则重点对天线的辐射体和馈电部分进行模拟，并安装在平台模型相应的位置。
2)设置短波天线辐射场强模型预测测试系统，包括有射频功率发射单元、场强数据采集单元和测试控制和数据处理单元三个部分，所述的射频功率发射单元包括射频网络分析仪和射频功率放大器，射频功率放大器输出口通过定向耦合器与发射天线模型相接，所述的场强数据采集单元为强场测试仪，所述的数据处理单元为装有测试控制和数据处理软件的计算机，射频网络分析仪和强场测试仪均与计算机相联接。此外，在定向耦合器输出端通过隔离衰减器与发射天线模型相联接；定向耦合器的输入耦合端通过保护衰减器与射频网络分析仪的接收端相接；射频网络分析仪的频率范围满足试验要求，自带内置信号源，其接收端口可进行绝对功率测量，带计算机控制和数据传输接口，射频网络分析仪除了信号输出和功率监测外，还用来对整个系统的路径传输损耗和天线的反射系数进行测量和校准；射频功率放大器的输出功率20～50W。所述的强场测试仪为光纤场强测量仪，其灵敏度小于1V/m，光纤场强测量仪包括场强测试传感器。
2)在制作好平台及天线的模型后，分别按图2、图3、图4、图5所示的校准和测试系统原理框图，连接测试系统各测试仪器，构建模型天线辐射场强的校准和测试系统。根据实际天线的工作频率和缩比系数，取实际工作频率为2MHz～30MHz，缩比系数为1∶20，则模型试验频率范围为40MHz～600MHz，选定一定的测试频点数，设置射频网络分析仪的频率参量。
3)对入射信号传输损耗进行校准测量先用辅助测试电缆1将射频网络分析仪的两个端口短接，根据试验频率范围设置好射频网络分析仪的起止频率，网络分析仪处于传输工作模式，对射频网络分析仪进行直通校准；再从射频网络分析仪的接收端口将辅助测试电缆1断开，接至定向耦合器的输入端，将测试电缆2接模型天线的端口接至射频网络分析仪的接收端，定向耦合器的耦合端口经保护衰减器接匹配负载(如图2所示)。测量入射信号的传输损耗，并将测试曲线以数据文件形式存入测试控制计算机；4)对耦合损耗进行校准测量在上一步对射频网络分析仪进行直通校准的基础上，将测试电缆2的终端接匹配负载，将定向耦合器的耦合端口经保护衰减器、耦合电缆接至网络分析仪的接收端(如图3所示)，测量输入信号的耦合损耗，并将测试曲线以数据文件形式存入测试控制计算机；5)对模型天线的反射系数进行校准测量将测试电缆2接至射频网络分析仪的信号输出端口，射频网络分析仪处于反射测量状态，分别在测试电缆2的另一端接开路器、短路器和匹配负载，对射频网络分析仪和测试电缆进行校准，然后将测试电缆2接至模型天线，测量模型天线的反射系数，以线性形式表示，并将测试曲线以数据文件形式存入测试控制计算机；6)按照图5的形式连接测试系统，设置射频网络分析仪的功率输出为-2dBm～-10dBm，以保护射频功率放大器；由射频网络分析仪输出的射频信号经过功率放大器放大后，送至定向耦合器的输入端，定向耦合器的输出端通过射频同轴电缆与模型天线相连，其间插入一个衰减量为3～SdB的隔离衰减器，可以有效地减小因天线不匹配而产生的反射信号对入射耦合和射频功率放大器的影响，提高测量准确度；定向耦合器的入射耦合通过一个保护衰减器与网络分析仪的接收端口相连，以监测模型天线的输入功率P1入，反射功率则通过天线的反射系数和入射功率进行计算获得；场强测试仪和场强测试传感器用来测试模型天线在关键部位产生的模型场强E模。
7)设置射频网络分析仪的接收端口为绝对功率测量状态，开启射频功率放大器。将光纤场强测量仪的测量传感器布置在模型关键部位，采集光纤场强测量仪测量的模型场强和网络分析仪监测的入射功率值，以数据文件存入测试控制计算机；图6为平台模型上某测试点测得的模型天线辐射产生的场强-频率曲线；8)改变传感器的位置，完成模型上所有关键的测试点处的辐射场强，并同网络分析仪监测的入射功率值，以数据文件形式存入测试控制计算机；9)利用数据处理模块，数据处理模块软件的主要数学模型是公式(19)，调用各组校准数据和模型场强数据，计算出实际天线的辐射场强，并按频率-场强的关系形式，绘制场强分布曲线。图5中的测试控制及数据采集计算机用来控制射频网络分析仪的频率和输出功率、网络分析仪接收端口的功率监测采集和场强测试仪的数据采集、数据转换和数据处理等。图7为根据本方法计算转换为实际平台上对应该测试点预测的实际天线辐射产生的场强-频率曲线。
权利要求
1.一种短波天线辐射场强模型预测方法，其特征在于根据实际短波天线的结构按1∶n的比例制作短波天线的缩比模型，根据实际被侧复杂平台的结构按1∶n的比例制作复杂平台的缩比模型，同时对复杂平台工作的环境均根据要求进行模拟，设置短波天线辐射场强模型预测测试系统，包括有射频功率发射单元、场强数据采集单元和测试控制及数据处理单元三个部分，根据实际天线的工作频率范围和缩比系数，确定模型试验的频率范围和测试频点数，模型试验的频率为实际天线工作频率的n倍，设置射频网络分析仪的频率参量，对入射信号传输损耗进行校准测量，对耦合损耗进行校准测量，对模型天线的反射系数进行校准测量，将缩比模型的短波天线安设于缩比模型的复杂平台，缩比模型的短波天线与短波天线辐射场强模型预测测试系统相接，场强测试传感器用来测试模型天线在复杂平台关键部位产生的模型场强E模，用测试系统的射频信号源输出信号经过射频功率放大器放大后馈送至缩比模型的短波天线，试验频率为实际工作频率的n倍，将场强测试传感器布置在模型关键部位，采集场强测量仪测量的模型场强，连同网络分析仪监测的入射功率值，以数据文件存入数据处理单元的测试控制计算机；改变场强测试传感器的位置，完成模型上所有关键测试点处的辐射场强，并连同相应网络分析仪监测的入射功率值，以数据文件形式存入测试控制计算机；用测试控制计算机中的数据处理模块软件，调用各组校准数据和模型场强数据，计算出实际天线的辐射场强。
2.根据权利要求1所述的短波天线辐射场强模型预测方法，其特征在于根据计算出的实际天线的辐射场强，按频率-场强的关系形式，绘制场强分布曲线。
3.根据权利要求1所述的短波天线辐射场强模型预测方法，其特征在于所述的缩比模型的缩比比例1∶n为1∶20～50。
4.根据权利要求1或3所述的短波天线辐射场强模型预测方法，其特征在于对平台工作的环境均要根据要求进行模拟，对于海面和地面，用足够大的金属网或金属板进行模拟，而对于自由空间则需要采用微波暗室进行模拟，平台及天线部分则采取金属良导体制作，主要是制作对电磁波影响较大的平台表面。
5.根据权利要求1或3所述的短波天线辐射场强模型预测方法，其特征在于馈送至缩比模型天线的射频信号源输出功率为20W～50W，试验频率是实际工作频率的n倍，n＝20～50，与缩比模型的缩比值n相同。
6.根据权利要求1或3所述的短波天线辐射场强模型预测方法，其特征在于所述的短波天线辐射场强模型预测测试系统中，射频功率发射单元包括射频网络分析仪和射频功率放大器，射频功率放大器输出口通过定向耦合器与发射天线模型相接，所述的场强数据采集单元为强场测试仪，所述的数据处理单元为装有测试控制和数据处理软件的计算机，射频网络分析仪和强场测试仪均与计算机相联接，此外，在定向耦合器输出端通过隔离衰减器与发射天线模型相联接；定向耦合器的输入耦合端通过保护衰减器与射频网络分析仪的接收端相接。
7.根据权利要求6所述的短波天线辐射场强模型预测方法，其特征在于采用网络分析仪分别校准测试系统的信号传输损耗、耦合损耗和模型天线反射系数三个参量，以完成对测试系统的校准，校准数据以数据文件格式存入计算机，供数据处理时调用。
8.根据权利要求7所述的短波天线辐射场强模型预测方法，其特征在于模型天线辐射场强与实际天线辐射场强的转换关系的数学模式为
全文摘要
本发明涉及一种对大功率短波发射天线装载于复杂平台后产生的辐射场强进行模型预测的方法。该方法是根据实际短波天线和复杂平台的结构按1∶n的比例缩比模型；设置短波天线辐射场强模型预测测试系统，缩比模型的短波天线与短波天线辐射场强模型预测测试系统相接；用测试系统的射频信号源输出信号经过射频功率放大器放大后馈送至缩比模型的短波天线，采集场强测量仪测量的模型场强，用测试控制计算机中的数据处理模块软件，调用各组校准数据和模型场强数据，计算出实际天线的辐射场强。本发明在实验室低发射功率条件下，通过对测试系统的校准和对模型天线辐射场强数据的处理，可准确地预测大功率短波发射天线布置在复杂平台后产生的辐射场强。
文档编号G01R29/10GK1952670SQ20061012506
公开日2007年4月25日 申请日期2006年11月17日 优先权日2006年11月17日
发明者郑生全, 黄松高, 吴楠, 温定娥, 刘义 申请人:中国舰船研究设计中心