近场复杂物遮挡下微波天线方向图快速预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于舰船电磁兼容领域，具体涉及一种近场复杂物遮挡下微波天线方向图 快速预测方法。
【背景技术】
[0002] 通常在分析微波天线辐射特性的时候，考虑的是自由空间环境。有关考虑实际背 景环境影响的方法相对较少，而实际背景中一旦在天线近场区出现复杂障碍物（如结构复 杂、材料复杂、尺寸跨度较大），将显著增加天线辐射能力的预测难度。传统的积分方程类方 法难以在普通工作站上实现快而有效的预测，典型的高频方法如物理光学则不易处理介质 材料，而采用远场等效源近似等方法则不适于存在近场相互作用的场景。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的问题是，针对现有技术存在的上述不足，为了在普通工作站上实 现近场复杂障碍物遮挡下微波天线方向图快速预测，提供一种近场复杂物遮挡下微波天线 方向图快速预测方法。
[0004] 本发明解决上述问题采用的技术方案是：
[0005] 近场复杂物遮挡下微波天线方向图快速预测方法，具体包括如下步骤：
[0006] 1)基于球面波源展开来近似微波天线的近场特性；
[0007] 以坐标原点为圆心，作一个包围待测天线的最小球，半径为Rmin，在球外空间，天线 场表示为矢量波函数和/?〇%汉炉）的加权和，天线场表达式如下：
[0010] 式中，！(rW#)为电场强度矢量，i^·，久的为磁场强度矢量，
为自由空间 波阻抗，μ为介质磁导率，ε为介质介电常数，矢量波函数》汉的采用包含 各奇偶模式的、之》表达，m、η是有限带宽，满足-Ν彡m彡Ν，0彡η彡Ν，Ν~k(R_+d)， d取7~10，
为自由空间传播常数，w为分析频率；
[0011] <"、分别为电场和磁场的权系数，包含了天线场的完整信息，求得权系数 的展开；
[0012] 同时，将时谐因子eiwt以乘积形式出现在上述天线场表达式中，矢量波函数 翻:和叫/%久的取为以e]wt为时谐因子的球贝塞尔函数，对于自由空间传播常数k， 进一步明确取为坨2> (λτ)时，表示沿#方向传播的球面波；
[0013] 2)将步骤1)展开的球面波源与复杂障碍物模型一起构建仿真场景，所述复杂障 碍物模型存在介质材料和金属材料共存复杂性；
[0014] 3)对步骤2)构建的仿真场景采用几何光学方法进行仿真计算，得到方向图曲线：
[0016] 式中，Φ为关于X，y，ζ的相位函数，η (X，y, ζ)为折射率。
[0017] 本发明的工作原理：通过基于球面波源展开和几何光学近似方法来计算复杂障碍 物在天线的近场区对其辐射特性的影响，利用球面波源展开将微波天线展开为球面波的叠 加，再代入复杂障碍物模型，基于可处理介质材料的几何光学方法予以仿真计算，即可在普 通工作站上实现近场复杂障碍物遮挡下微波天线方向图快速预测。
[0018] 本方法与传统其它方法在方面的优势相比较为明显，同时具备以下几点：
[0019] 1、可处理近场遮挡问题；
[0020] 2、处理问题的材质范围较广，兼顾导体和介质两种材质情况；
[0021] 3、处理问题的电尺度较大（电大尺寸目标），计算速度明显优于传统其它方法；
[0022] 4、计算精度经过试验检验，预测结果与试验结果较为吻合。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明实施例近场复杂障碍物与微波天线的场景示意图；
[0024] 图2为本发明方法仿真计算的三维方向图；
[0025] 图3为本发明方法仿真计算的二维方向图与试验比对结果图；
[0026] 图4为本发明方法与传统其它方法的速度对比示意图。
【具体实施方式】
[0027] 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 本发明做进一步详细说明。
[0028] 如图1所示，假定某一近场复杂障碍物与微波天线（以反射面天线为例）距离为 lm，分析频率为C波段（中心频率6GHz，垂直极化），微波天线发射的电磁波沿水平方向朝 近场复杂障碍物辐射。复杂障碍物包含金属材料和介质材料，其中介电常数为5+0i。所使 用硬件平台为联想启天Μ系列工作站，2. 66GHz*8核心，内存36GB。参考本发明所述方法步 骤，可以得到如图1-3所示的仿真模型和计算结果。从图3中，我们可以看出预测结果与试 验结果较为吻合。此外如图4所示，本方法与传统其它方法在计算速度方面的优势相比较 为明显（图中数据为单次方向图计算时间）。基于上述分析，可以看出利用本方法可以较快 的进行近场障碍物遮挡情况下的微波天线方向图预测。
[0029] 应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解， 在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，而不 脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
【主权项】
1.近场复杂物遮挡下微波天线方向图快速预测方法，其特征在于，具体包括如下步 骤： 1) 基于球面波源展开来近似微波天线的近场特性； 以坐标原点为圆心，作一个包围待测天线的最小球，半径为R_，在球外空间，天线场表 示为矢量波函数的加权和，天线场表达式如下：式中，g(r，M)为电场强度矢量，J?(r，0,的为磁场强度矢量，为自由空间波阻 抗，μ为介质磁导率，ε为介质介电常数，矢量波函数丨采用包含各奇 偶模式的》λ.,,、t表达，m、η是有限带宽，满足-N彡m彡Ν，0彡η彡Ν，Ν~k (R_+d)，d取 7~10，为自由空间传播常数，w为分析频率；分别为电场和磁场的权系数，包含了天线场的完整信息，求得权系数就算出天线场的其他特征参数，从而将反射面天线的辐射近场近似为球面波源 的展开； 同时，将时谐因子，1以乘积形式出现在上述天线场表达式中，矢量波函数w(r.久的 和I:取为以，1为时谐因子的球贝塞尔函数，对于自由空间传播常数k，进一步明确 取为I时，表不沿？方向传播的球面波； 2) 将步骤1)展开的球面波源与复杂障碍物模型一起构建仿真场景，所述复杂障碍物 模型存在介质材料和金属材料共存复杂性； 3) 对步骤2)构建的仿真场景采用几何光学方法进行仿真计算，得到方向图曲线：式中，Φ为关于X，y，z的相位函数，η (X，y, z)为折射率。
【专利摘要】本发明提供了一种近场复杂物遮挡下微波天线方向图快速预测方法，具体包括如下步骤：1)基于球面波源展开来近似微波天线的近场特性：以坐标原点为圆心，作一个包围待测天线的最小球，在球外空间，天线场表示为矢量波函数的加权和，用电场强度矢量和磁场强度矢量表达，从而将反射面天线的辐射近场近似为球面波源的展开；2)将步骤1)展开的球面波源与复杂障碍物模型一起构建仿真场景，复杂障碍物模型存在介质材料和金属材料共存复杂性；3)对步骤2)构建的仿真场景采用几何光学方法进行仿真计算，得到方向图曲线。本发明可处理近场遮挡问题，处理问题的材质范围较广、电尺度较大，计算速度明显优于传统方法，预测结果与试验结果较为吻合。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105354368
【申请号】CN201510658781
【发明人】方重华, 程响响, 刘其凤, 丁凡, 张崎
【申请人】中国舰船研究设计中心
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年10月12日