专利名称：船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法
技术领域：
本发明属于船舶平台系统级电磁兼容预测与设计技术领域，尤其涉及一种船舶射频集成状态下的大型阵列天线电磁兼容预测与优化布局 设计。
背景技术：
将多组不同功能的大型阵列天线共形安装在船舶上层建筑上，可实现强大的射频功能和射频资源的集成灵活调配，是船舶射频集成技术的主要形式，也是船舶射频技术发展的必然趋势。然而，由于船载阵列天线发射功率大、工作频带宽，多组阵列天线的紧密布局会引起相互间严重的电磁耦合干扰，必须在设计阶段通过准确预测指导和支撑阵列天线的优化布局。目前，在设计阶段对阵列天线领域电磁耦合预测主要包括两种方法仿真计算和模拟试验。尚存在以下问题无法解决(1)仿真计算主要采用全波数值方法，需要对仿真对象进行全尺度网格离散，对于船舶大型阵列天线间电磁耦合计算来说，几千个阵元的大规模相控阵在离散时会生成数亿个网格，如果考虑超大电波长尺寸的船舶结构，未知数数量将超出目前最先进计算机的求解能力，且方程组求解无法收敛。因此，数值方法仅应用于百量级阵元数量的小型阵列天线自身电磁耦合预测。(2)在设计研制阶段，尚不具备利用完整大型阵列天线开展相互间电磁耦合模拟试验的条件，仅可利用局部阵列天线样机。局部阵列天线样机与完整阵列天线的阵元数量及波束方向性均不同，存在非线性因素，利用局部阵列天线间的电磁耦合试验数据无法准确换算完整大型阵列天线间的电磁耦合数据。因此，仅采用模拟试验方法尚无法预测船舶大型阵列天线间的电磁耦合特征。检索国内外文献，船舶大型阵列天线间电磁耦合预测方法尚属空白。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法，适用于船舶平台大型阵列天线电磁兼容优化布局设计，且不受阵元数量、船舶结构约束和设备条件限制。船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法，其特征在于它包括以下步骤1)根据船舶大型阵列天线的类型制作局部阵列天线样机，局部阵列天线样机分为发射阵列天线样机和接收阵列天线样机，发射阵列天线样机由发射阵元天线及其发射组件组成，接收阵列天线样机由接收阵元天线及其接收组件组成；对局部阵列天线样机建立全波电磁仿真模型；根据需求建造船舶上层建筑模拟钢结构，模拟钢结构为仿真模型或实际模型；2)测试发射阵列天线样机中每个发射阵元天线的发射组件输出的主频频谱和带外频谱，获得发射组件输出端频率和电压数据，作为发射阵元天线激励参数对全波电磁仿真模型赋值，用矩量法计算发射阵列天线样机中每个发射阵元天线的表面电流密度和阵元天线间互阻抗，进一步求得每个发射阵元天线的辐射场；引入一致性绕射理论建立辐射场传播模型，将积分方程转变为线性方程组，采用矢量叠加求解发射阵列天线样机在上层建筑表面的直射场、反射场和绕射场；3)将发射阵列天线样机和单个接收阵元天线安装于上层建筑模拟钢结构外壁表面，测试发射阵列天线样机的辐射场，量化分析上层建筑模拟钢结构外壁表面引起的反射和绕射对电磁耦合的影响，校验发射阵列天线辐射场传播模型；4)将接收阵列天线样机平均划分 为四个子阵列，分别以单个接收阵元、单个子阵列和子阵列组合的方式进行接收，获取接收阵元和子阵列数量递增时，主频和带外耦合电平在射频输出端的变化规律，建立接收阵元、接收子阵列数量与电磁耦合电压的相关性模型；5)采用步骤2)中求得的发射阵元天线间互阻抗，构建完整大型发射阵列天线辐射模型；采用步骤3)中辐射场传播模型构建并校验发射阵元天线与接收阵元天线之间基于多端口网络的互阻抗矩阵函数，求得发射阵元天线与接收阵元天线之间的耦合系数，采用矢量叠加原理求得完整大型发射阵列天线对接收阵元的耦合电压；采用步骤4)中接收阵元、接收子阵列数量与电磁耦合电压的相关性模型，求得完整大型发射阵列天线辐射场对完整大型接收阵列天线的电磁耦合电压。按上述方案，所述步骤1)局部阵列天线样机是完整阵列天线在设计过程中研制的原理性天线设备，所包含的阵元天线数量通常为完整阵列天线阵元数量的二十分之一以下，主要用于设计阶段的系统级试验，局部阵列天线样机与完整阵列天线的工作原理基本相同，但局部阵列天线样机比完整阵列天线更容易制造，更方便试验时反复拆装和移动。按上述方案，所述步骤2)在发射阵列天线每个阵元天线的发射组件输出口测试发射频谱，当主频能量过大导致带外频谱分量被底噪淹没时，进行主频抑制或滤波，以提取带外频谱分量，进而为阵元天线仿真模型提供激励参数。所述底噪为主频引起的宽带噪声。按上述方案，所述步骤3)用信号分析仪测试接收阵列天线样机的阵列、阵元耦合频谱特征，并更换接收阵列天线的安装位置，提取不同耦合路径结构、不同频率对电磁耦合的量化影响因子，校验发射阵列天线辐射场传播模型。按上述方案，所述的步骤4)在利用单个阵元天线进行测试接收时，按接收阵列天线极化方式布置接收阵元天线，发射阵列天线发射水平波束，并在测试带外频谱时使用主频滤波器。发射组件为阵元天线的射频激励模块。本发明的部分工作原理为对一个包含N个阵元的发射阵列天线A，馈端端口激励电压与电流满足下式
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式⑴左侧的激励电压V1,…Vn*复数，包括了激励电压的幅度和相位，其中，激励电压的幅度通过在发射组件输出口测量获得，激励电压的相位通过测试主频、谐波、主频带外杂散的方向性获得；zu为互阻抗矩阵Za中的元素，i和j为阵列天线A中任意两个阵元天线，I”…In为阵元天线端口电流；对一个包含N'个阵元的接收阵列天线B，馈端端口激励电压与电流满足下式
权利要求
1.船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法，其特征在于它包括以下步骤1)根据船舶大型阵列天线的类型制作局部阵列天线样机，局部阵列天线样机分为发射阵列天线样机和接收阵列天线样机，发射阵列天线样机由发射阵元天线及其发射组件组成，接收阵列天线样机由接收阵元天线及其接收组件组成；对局部阵列天线样机建立全波电磁仿真模型；根据需求建造船舶上层建筑模拟钢结构，模拟钢结构为仿真模型或实际模型；2)测试发射阵列天线样机中每个发射阵元天线的发射组件输出的主频频谱和带外频谱，获得发射组件输出端频率和电压数据，作为发射阵元天线激励参数对全波电磁仿真模型赋值，用矩量法计算发射阵列天线样机中每个发射阵元天线的表面电流密度和阵元天线间互阻抗，进一步求得每个发射阵元天线的辐射场；引入一致性绕射理论建立辐射场传播模型，将积分方程转变为线性方程组，采用矢量叠加求解发射阵列天线样机在上层建筑表面的直射场、反射场和绕射场；3)将发射阵列天线样机和单个接收阵元天线安装于上层建筑模拟钢结构外壁表面，测试发射阵列天线样机的辐射场，量化分析上层建筑模拟钢结构外壁表面引起的反射和绕射对电磁耦合的影响，校验发射阵列天线辐射场传播模型；4)将接收阵列天线样机平均划分为四个子阵列，分别以单个接收阵元、单个子阵列和子阵列组合的方式进行接收，获取接收阵元和子阵列数量递增时，主频和带外耦合电平在射频输出端的变化规律，建立接收阵元、接收子阵列数量与电磁耦合电压的相关性模型；5)采用步骤2)中求得的发射阵元天线间互阻抗，构建完整大型发射阵列天线辐射模型；采用步骤3)中辐射场传播模型构建并校验发射阵元天线与接收阵元天线之间基于多端口网络的互阻抗矩阵函数，求得发射阵元天线与接收阵元天线之间的耦合系数，采用矢量叠加原理求得完整大型发射阵列天线对接收阵元的耦合电压；采用步骤4)中接收阵元、 接收子阵列数量与电磁耦合电压的相关性模型，求得完整大型发射阵列天线辐射场对完整大型接收阵列天线的电磁耦合电压。
2.根据权利要求1所述的船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法，其特征在于 所述步骤1)局部阵列天线样机是完整阵列天线在设计过程中研制的原理性天线设备，所包含的阵元天线数量为完整阵列天线阵元数量的二十分之一以下。
3.根据权利要求1所述的船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法，其特征在于 所述步骤2)在发射阵列天线每个阵元天线的发射组件输出口测试发射频谱，当主频能量过大导致带外频谱分量被底噪淹没时，进行主频抑制或滤波，以提取带外频谱分量，进而为阵元天线仿真模型提供激励参数。
4.根据权利要求1所述的船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法，其特征在于 所述步骤3)用信号分析仪测试接收阵列天线样机的阵列、阵元耦合频谱特征，并更换接收阵列天线的安装位置，提取不同耦合路径结构、不同频率对电磁耦合的量化影响因子，校验发射阵列天线辐射场传播模型。
5.根据权利要求1所述的船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法，其特征在于 所述的步骤4)在利用单个阵元天线进行测试接收时，按接收阵列天线极化方式布置接收阵元天线，发射阵列天线发射水平波束，并在测试带外频谱时使用主频滤波器。
全文摘要
本发明提供船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法，依据发射阵列天线对接收阵列天线阵元的电磁耦合理论，对发射阵列天线样机和接收阵元天线建立全波电磁模型，并采用一致性绕射理论和基于幅相合成理论的矢量叠加方法对发射阵列天线样机的耦合场进行预先混合仿真求解；在开阔试验场进行局部阵列天线的电磁耦合试验，将局部阵列天线的电磁耦合试验结果与网络参数模型对比验证，用实际条件下的量化因子修正干扰场传播模型，以保证仿真计算与试验结果相吻合。本发明方法既发挥了全波数值方法的精确性优点，又为模拟试验校正提供了接口，通过反衍计算解决了理想状态下开展仿真计算导致的过设计或欠设计问题。
文档编号H04B7/06GK102386983SQ20111031450
公开日2012年3月21日 申请日期2011年10月17日 优先权日2011年10月17日
发明者吴楠, 宋东安, 张炜, 王春, 谢大刚 申请人:中国舰船研究设计中心