一种航天器舱内电场测量天线的转换系数计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种天线转换系数计算方法，特别是一种航天器舱内电场测量天线的 转换系数计算方法，属于电磁场与微波技术领域。
【背景技术】
[0002] 航天器的电磁环境适应性是其可靠性设计和电磁兼容性设计必须考虑的重要问 题，随着航天器在功能和性能上的提高，产品集成度的增大，在有限的空间内收发天线密 集，使航天器舱体内部的电磁环境日趋复杂。为了获取舱体内部的电场分布和量级情况，通 常在舱体内部布置商用电场探头进行测量，然而现有的商用电场探头存在一定局限性，一 是其灵敏度较低，最小响应幅度约为5V/m，无法测量更小的信号，二是其输出为一个所有测 量频段的综合电场强度，无法获知其中任意频点处的电场分布和大小，因此需要利用小型 测量天线来完成航天器舱内电场的测量，亟需一种快速、高效求解航天器舱内电场测量天 线的转换系数的方法。
[0003] 现有主要通过实验的方法来求解航天器舱内电场测量天线的转换系数，利用该方 法可以保证转换系数求解的精度，但该方法需要专业的场地和设备实现，实验一次需要耗 时1~2天，且花费在几万元，无法满足快速、高效获取航天器舱内电场测量天线的转换系 数的日常需求。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器舱内电场测 量天线的转换系数计算方法，利用软件仿真的方法建立收发链路模型，并在测量天线包络 上建立电场探针，模拟喇叭天线模型口面与测量天线模型口面之间不同距离条件下的收发 链路模型，获取电场探针数值和测量天线端口电压数值，并对获取的数值进行拟合，获得电 场探针数值和测量天线端口电压数值之间的关系曲线，最终获得测量天线的转换系数，该 方法通过计算机模拟的方法实现了航天器舱内电场测量天线的转换系数的获取，与现有方 法相比，大大简化了求解过程，缩短了求解时间，节约了求解成本，最大程度上满足了航天 器舱内电场测量天线的转换系数计算的需求。
[0005] 本发明的技术解决方案是：一种航天器舱内电场测量天线的转换系数计算方法， 包括以下步骤：
[0006] (1)根据待求转换系数的频率范围f，在电磁仿真软件中建立喇叭天线的模型，所 述喇叭天线的工作频段覆盖待求转换系数的频率范围f ;
[0007] (2)根据预先给定的测量天线的结构尺寸参数和电气性能指标，在电磁仿真软件 中建立测量天线的模型，所述电气性能指标包括天线的电压驻波比和增益，所述测量天线 的结构尺寸参数包括介质基板尺寸、辐射贴片尺寸、馈电探针位置和材料特性；
[0008] (3)在电磁仿真软件中，利用步骤⑵中建立的测量天线模型，仿真计算出测量天 线的电压驻波比和增益，并与步骤（2)中预先给定的天线电压驻波比和增益比较，若达到 指标要求，则进入步骤（4);否则，对测量天线模型的结构尺寸参数进行调整后再进行仿真 计算和比较，直到达到指标要求后进入步骤（4);
[0009] (4)以步骤（1)中的喇叭天线模型作为发射天线，步骤（3)中的测量天线模型作为 接收天线，建立收发链路模型，所述喇叭天线模型口面与接收天线模型口面之间的距离为 L ；
[0010] (5)在步骤（3)中建立的测量天线模型结构包络上建立N个电场探针；
[0011] (6)设置 L = Ll;
[0012] (7)设置喇叭天线和测量天线的馈电端口为波导端口，喇叭天线端口馈电功率为 Pin，求解频率为f，仿真计算收发链路模型；
[0013] (8)在收发链路模型仿真计算完成后，从计算结果中获取喇叭天线到测量天线端 口的传输系数，并进行Round数学求整，记为S 21，则测量天线端口接收功率Pciut由公式：
[0014] Pout= P In+S21
[0015] 给出；
[0016] (9)从计算结果中获取测量天线结构包络的N个电场探针的数值，去除N个值中的 最大值和最小值，将剩余N-2个电场值取平均数，并进行Round数学求整，记为E av;
[0017] (10)将步骤⑶中获得的Pciut值设为X轴，步骤（9)中获得的电场平均值E av设为 Y轴，在直角坐标系中描出此点；
[0018] (11)设置 L = L2,重复（7)~（10)步；
[0019] (12)设置 L = L3,重复（7)~（10)步；
[0020] (13)将（10)~（12)步在直角坐标系中描出的3点按照最小二乘法进行曲线拟 合，所得直线为所求频点f处测量天线测量电场强度与端口接收功率之间关系曲线；
[0021] (14)在步骤（13)获取的关系曲线上任意取一点（x，y)，频点f处测量天线的转换 系数TF通过公式：
[0022] TF (dB/m) = y (dBuV/m) -107 (dB) -X (dBm)
[0023] 给出。
[0024] 所述步骤⑶中达到指标要求具体为：仿真计算出的测量天线的电压驻波比与预 先给定的天线电压驻波比之间差值的绝对值与预先给定的天线电压驻波比之比小于预设 的电压驻波比阈值；且仿真计算出的测量天线的增益与预先给定的天线增益之间差值的绝 对值与预先给定的天线增益的绝对值之比小于预设的增益阈值；所述电压驻波比阈值和增 益阈值的取值范围均为：1%~5%。
[0025] 所述喇叭天线模型的口面正对测量天线模型的口面，且两天线模型的极化方式相 同。
[0026] 所述在步骤（3)中建立的测量天线模型结构包络上建立N个电场探针，具体为：
[0027] 若测量天线为全向天线，则正辐射方向对应的结构包络与反辐射方向对应的结构 包络对称，正辐射方向对应的结构包络与反辐射方向对应的结构包络上的电场探针数量相 同，且位置一一对应；
[0028] 若测量天线为定向天线，则在测量天线辐射方向正对的结构包络上建立电场探 测。
[0029] 所述N大于等于10。
[0030] 所述测量天线模型结构包络与测量天线表面的距离为h，具体由公式：
[0032] 给出，其中c为真空中光速，f为待求转换系数的频点。
[0033] 所述电场探针在测量天线模型结构包络上均匀分布。
[0034] 所述 L1>L2>L3>0。
[0035] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0036] 本发明基于单台计算机对收发链路进行模拟，实现了航天器舱内电场测量天线转 换系数的计算，与现有的实验方法相比，大大简化了求解过程，缩短了求解时间，节约了求 解成本。
【附图说明】
[0037] 图1为本发明流程图；
[0038] 图2为测量天线结构示意图；
[0039] 图3为收发链路模型示意图；
[0040] 图4为本发明中实施例电场探针设置示意图；
[0041] 图5为本发明仿真结果示意图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行进一步的详细描述。
[0043] 基于现有商用探头的弊端，采用了一套小型化的舱内电场测量系统，系统前端为 一矩形印刷贴片天线，通过连接后端的频谱仪等设备可以直观的测到舱内任意频点处的电 场分布和相对量级情况。此系统的输出为电场经测量天线在天线端口处的接收功率值P，只 能测量不同位置处功率的相对变化情况，由于电场E需要通过式E = TF+P计算，没有测量 天线的转换系数TF，测量天线所处位置的具体电场强度大小仍未知。为了进一步获取具体 频点、具体位置处的具体电场强度大小，需要获取测量天线的转换系数，其描述的是将所处 空间电场转换为天线端口功率的能力，然而由于研制的测量天线尺寸过小且只有一套，传 统的基于试验的天线转换系数计算方法，如两天线法和三天线法无法适用，因此结合舱内 电场分布特点以及数字化仿真设计技术，提出一种计算舱内电场测量天线的转换系数的方 法。
[0044] 本方法通过构建以喇叭天线和测量天线为单元的收发链路模型，并在测量天线周 围建立电场探针包络，计算获取收发链路间的隔离度信息反演出测量天线端口电压值，并 结合包络电场的平均值，运用线性规划方法计算得到测量天线的转换系数值。
[0045] 如图1所示为本发明的方法流程图，从图1可知，本发明中一种航天器舱内电场测 量天线的转换系数计算方法，其特征在于包括以下步骤：
[0046] (1)根据待求转换系数的频率范围f，在电磁仿真软件中建立喇叭天线的模型， 所述喇叭天线的工作频段覆盖待求转换系数的频率范围f ;所述电磁仿真软件可以采用 HFSS、CST 或者 FEKO。
[0047] (2)根据预先给定的测量天线的结构尺寸参数和电气性能指标，在电磁仿真软件 中建立测量天线的模型，所述电气性能指标包括天线的电压驻波比和增益，所述测量天线 的结构尺寸参数包括、介质基板尺寸、辐射贴片尺寸、馈电探针位置和材料特性；测量天线 不意图见图2 ;
[0048] (3)在电磁仿真软件中，利用步骤⑵中建立的测量天线模型，仿真计算出测量天 线的电压驻波比和增益，并与步骤（2)中预先给定的天线电压驻波比和增益比较，若达到 指标要求，则进入步骤（4);否则，对测量天线模型的结构尺寸参数进行调整后再进行仿真 计算和比较，直到达到指标要求后进入步骤（4);所述达到指标要求具体为：仿真计算出的 测量天线的电压驻波比与预先给定的天线电压驻波比之间差值的绝对值与预先给定的天 线电压驻波比之比小于预设的电压驻波比阈值；且仿真计算出的测量天线的增益与预先给 定的天线增益之间差值的绝对值与预先给定的天线增益的绝对值之比小于预设的增益阈 值；所述电压驻波比阈值和增益阈值