一种基于波谱展开和计算电磁算法的辐射近场源构建方法

本发明属于天线测量以及电磁场微波领域，具体涉及一种基于波谱展开和计算电磁算法的辐射近场源构建方法。

背景技术：

1、随着计算机技术的不断发展，数值计算在研究物理问题与模拟工程等领域中起到至关重要的作用。在电磁领域中，计算电磁学成为继实验和理论分析之后的又一重要的研究工具，现有的计算电磁学方法已经可以解决许多科学和实际工程技术领域的电磁仿真问题。近年来，随着微波器件的电尺寸和复杂度不断的增加，计算电大尺寸天线+载体问题往往需要消耗巨大的计算机和时间资源，同时，全波仿真下由于辐射源和载体均是虚拟建模出来的，往往无法反映出真实情况。这时需要借助测量的手段，其中近场测量作为一种高效的测量方法被广泛使用。近场测量法相比于远场测量法与紧缩场法有着苛刻且造价高昂的场地需求，天线近场测量具有测量精度高、信息量大、可全天候工作、测试距离近、占地需求小等优点。但是对于近场测量而言，大尺寸载体+天线问题难以在暗室中搭建测量。如何将测量问题与电磁仿真相结合，具有十分重要的价值。

2、张依轩等人在其发表的论文《基于计算电磁学的一维线阵快速近场测量方法》(西安科技大学，微波学报，2022年)中公开了一种基于计算电磁等效源方法，该方法的步骤为：

3、1)测量获得一组近场数据。

4、2)针对k个近场测量点和m个基函数，建立矩阵方程uk×1＝ck×mjm×1；其中，u由k个点的近场测量数据构成，j表示m个等效源基函数对应的待求激励系数向量，c为联系等效源基函数待求系数j与近场测量结果u的系数矩阵。

5、3)求解线性方程组，将系数矩阵j求解出来。

6、4)利用求解的激励系数j求解辐射远场。

7、然而其存在的不足在于，基于等效源测量方法在实际应用时，对于电大尺寸天线，测量点数量较多，所构建矩阵规模较大，在求解时需要利用lu分解或者迭代求解，计算量较大，并需要提前给定合理的等效源分布。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于波谱展开和计算电磁算法的辐射近场源构建方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、一种基于波谱展开和计算电磁算法的辐射近场源构建方法，包括：

3、测量获取天线物理尺寸和探头尺寸，依据所述天线物理尺寸和已知的天线频率，确定采样面的采样信息和探头中心到天线口径面中心的距离，进行平面扫描获得每个采样点对应的电场信息，将得到的所有电场信息作为近场主极化测试数据；

4、对所述近场主极化测试数据进行二维傅里叶变换获得谱域信息矩阵；对所述谱域信息矩阵进行修正得到修正谱域信息矩阵；对所述修正谱域信息矩阵进行逆傅里叶变换得到修正后的近场主极化测试数据作为近场电场参数；

5、根据所述采样信息对所述采样面进行等距网格剖分，每个采样点对应一个网格中心，计算得到剖分后的网格面积；

6、根据天线极化的方式，将所述近场电场参数按照预设方式填入每个采样点对应的源点电场；

7、对所述网格面积、所述采样信息和填入后的源点电场，采用近场等效源算法构建等效源模型；

8、将所述等效源模型与仿真载体平台相结合，利用电磁算法进行求解，得到天线整体辐射特性，完成辐射近场源构建。

9、在本发明的一个实施例中，采样信息包括：

10、采样面尺寸、采样间隔、采样点数量和采样点坐标。

11、在本发明的一个实施例中，对所述近场主极化测试数据进行二维傅里叶变换获得谱域信息矩阵，包括：

12、根据波谱展开方程，对所述近场主极化测试数据进行二维傅里叶变换获得含有每个采样点的谱域信息的谱域信息矩阵其中，所述波谱展开方程为：

13、

14、x、y表示采样点坐标，(kx,ky)表示采样点对应的谱域坐标，谱域坐标为未知量，a0表示常数，表示所述近场主极化测试数据，j表示复数单位，d表示所述探头中心到天线口径面中心的距离。

15、在本发明的一个实施例中，对所述谱域信息矩阵进行修正得到修正谱域信息矩阵，包括：

16、计算每个采样点对应的谱域坐标，将计算出的所有采样点对应的谱域坐标组合成谱域坐标矩阵；

17、确定所述谱域坐标矩阵中的可见区坐标与不可见区坐标；

18、根据所述探头尺寸、所述可见区坐标和所述不可见区坐标得到所述探头方向图修正系数矩阵；

19、根据所述谱域信息矩阵和所述探头方向图修正系数矩阵得到所述修正谱域信息矩阵。

20、在本发明的一个实施例中，计算每个采样点对应的谱域坐标，将计算出的所有采样点对应的谱域坐标组合成谱域坐标矩阵，包括：

21、根据所述采样面尺寸、所述采样间隔和二维傅里叶变换前后采样点坐标与谱域坐标的对应关系，得到谱域坐标中各分量的下限、上限以及坐标分量间隔，共同构成谱域坐标分量信息；根据所述谱域坐标分量信息确定每个采样点对应的谱域坐标；

22、将得到的所有采样点对应的谱域坐标，按照所述谱域信息矩阵中采样点的位置进行排布，得到谱域坐标矩阵。

23、在本发明的一个实施例中，确定所述谱域坐标矩阵中的可见区坐标与不可见区坐标，包括：

24、针对每个采样点，将该采样点对应的谱域坐标改写成的形式，并联立组成该采样点对应的方程组其中，(kx,ky)为该采样点对应的谱域坐标，θ为俯仰角，为方位角；

25、对该采样点对应的方程组中的θ和进行求解；在有解时，确定该采样点对应的谱域坐标为可见区坐标；在无解时，确定该采样点对应的谱域坐标为不可见区坐标。

26、在本发明的一个实施例中，根据所述探头尺寸、所述可见区坐标和所述不可见区坐标得到所述探头方向图修正系数矩阵，包括：

27、针对每个可见区坐标，将所述探头尺寸和该可见区坐标代入方向图解析公式中，得到该可见区坐标对应的探头方向图系数；并将每个不可见区坐标对应的探头方向图系数设置为1；

28、将得到的所有探头方向图系数依据所述谱域坐标矩阵中谱域坐标的位置进行排布，得到探头方向图修正系数矩阵

29、在本发明的一个实施例中，根据所述谱域信息矩阵和所述探头方向图修正系数矩阵得到修正谱域信息矩阵，包括：

30、将所述谱域信息矩阵除以所述探头方向图修正系数矩阵得到所述修正谱域信息矩阵

31、在本发明的一个实施例中，当天线极化的方式为线极化时，所述预设方式，包括：

32、所述近场电场参数的方向分量与所述每个采样点对应的源点电场的主极化方向分量保持方向一致。

33、在本发明的一个实施例中，近场等效源算法采用的计算公式包括：

34、

35、其中，e为观测点场值，j为复数单位，k为常数，为单位法向量，r为所述观测点到当前采样点的距离，r为观测点坐标，ri'为当前采样点坐标，ei为当前采样点对应的填入后的源点电场，s为所述网格面积。

36、本发明的有益效果：

37、本发明实施例所提供的方案中，结合近场测量与计算电磁方法，将谱域信息矩阵的修正和等效源模型的构建分开处理，相比于现有的一维线阵快速近场测量方法中求解线性方程组的方式，简化了计算过程，减少了计算量；通过提取近场电场参数的方法，将目标体的散射场的求解问题转化为目标体表面离散点源的问题，由点源再求解场值，构建出辐射近场源，从而将物理空间问题转化为数值空间问题，通过仿真软件建模载体模型，将近场源模型与载体模型进行整体电磁求解，实现真实测量问题在数值空间中的映射，从测量的角度进一步提升仿真认知的能力。