CN104750960B - 一种快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法。首先建立天线等效口径面、金属桁架、介质蒙皮的几何模型。其次利用Stratton‑Chu公式计算金属桁架表面上的磁场，并利用物理光学方法计算金属桁架照明区域的感应电流；利用Stratton‑Chu公式计算介质蒙皮内表面处任意点的入射电场和磁场，并计算该点的传输系数，根据入射电场和磁场以及传输系数求得蒙皮外表面的电场和磁场，从而计算外表面的等效电流和等效磁流。最后分别计算金属桁架上的感应电流和介质蒙皮外表面上感应电磁流在观察方向上的远场，并计算增益方向图，从而得到金属桁架式天线罩电性能参数。与现有方法相比，该方法具有精度高，计算速度快的优点。
Description
技术领域
本发明属于雷达天线技术领域，特别是一种快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法，可用于对金属桁架和介质蒙皮的天线罩的电性能进行预测。
背景技术
天线罩作为雷达系统的一个重要组成部分，为雷达天线提供了全天候的工作环境。天线罩的设计需要达到良好的机械性能和电信能指标。为了满足机械性能指标，大型雷达天线罩一般采用金属桁架和介质蒙皮复合结构。
通常雷达天线工作在较高的频段，天线罩尺寸较大，给分析问题带来了较大的难度，例如直径20m的天线罩在Ka波段将达到2800多个电波长，精确的数值方法，如多层快速多极子方法MLFMA(J.M.Song,C.C.Lu,and W.C.Chew, Multilevel fast multipolealgorithm for electromagnetic scattering by large complex objects,IEEETrans.Antennas Propag.,1997,45(10):1488–1493)在短时间内很难完成，而高频方法能够在计算误差可接受的范围内大大提高计算速度。
针对金属桁架天线罩电性能的分析，目前广泛采用的是感应电流率理论(杜耀惟，《天线罩电信设计方法》，北京：国防工业出版社，1993。)，该方法假设每根桁架无限长，且忽略桁架与桁架连接部分的作用，因此计算结果误差较大，不利于和精确的数值方法进行比较；其次，针对圆柱形的桁架，感应电流率有解析的计算公式，而其他形状的桁架则需要用数值方法计算感应电流率，会增加计算时间。
现有的分析金属桁架式天线罩电性能参数方法主要存在以下两个问题：
(1)金属桁架建模过于简单，忽略了金属桁架连接处的影响。
(2)由于建模差异，计算结果和精确的数值方法不能进行对比。
(3)对于非圆柱形的金属桁架，需要用数值方法计算感应电流率，计算量较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法，步骤如下：
第1步，设置天线工作频率f，建立天线等效口径面、金属桁架、介质蒙皮的几何模型，并对模型进行网格划分；
第2步，设置介质蒙皮各层介质参数和观察角度参数；
第3步，计算天线等效口径面的辐射功率；
第4步，计算天线在金属桁架表面的磁场，根据物理光学法计算金属桁架表面的感应电流；
第5步，计算天线在介质蒙皮内表面的电场和磁场，并计算该点的传输系数，然后计算介质蒙皮外表面的电场和磁场，再根据外表面的电场和磁场计算感应电流和磁流；
第6步，计算金属桁架表面感应电流在观察方向上的辐射远场；计算介质蒙皮外表面的感应电流和磁流在观察方向上的辐射远场，并将这两部分场累加，得到天线等效口径面、金属桁架和介质蒙皮总的辐射场；
第7步，计算天线等效口径面、金属桁架和介质蒙皮总的增益，并提取性能参数。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)考虑了金属桁架连接处对天线性能的影响。(2)金属桁架模型更精确，便于和精确的数值方法进行比较。(3)省去了感应电流率的计算，与金属桁架形状无关。
附图说明
图1是本发明一种快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法的流程图。
图2是天线等效口径面模型及网格划分。
图3是金属桁架模型及其网格划分。
图4是介质蒙皮模型及其网格划分。
图5是电磁波照射物体表面形成的阴影区和照明区。
图6是多层介质的等效传输线模型。
图7是某天线罩2GHz下加金属桁架前后E面增益曲线。
图8是某天线罩2GHz下加金属桁架前后H面增益曲线。
图9是某天线罩2GHz下加金属桁架前后E面增益曲线，(a)是-180°—180 °范围内的增益曲线，(b)是-1.5°—1.5°范围内的增益曲线。
图10是某天线罩2GHz下加金属桁架前后H面增益曲线，(a)是-180°—180 °范围内的增益曲线，(b)是-1.5°—1.5°范围内的增益曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示为一种快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法的流程图。
第1步，设置天线工作频率f，建立天线等效口径面、金属桁架、介质蒙皮的几何模型，并对模型进行网格划分。由于雷达天线结构复杂，可以用等效口径面代替雷达天线。金属桁架、介质蒙皮是金属桁架式天线罩的组成部分，金属桁架主要起支撑介质蒙皮的作用，介质蒙皮主要用于保护雷达天线。
天线的工作频率f对应的波长为λ＝c/f，c为光速，在商用软件Ansys中建立一个以坐标原点为中心，半径为R的圆，作为天线的等效口径面模型，对模型进行三角形网格剖分，平均边长0.1λ，如图2所示，导出网格剖分文件。
在商用软件Ansys中建立金属桁架模型，并用三角形网格进行剖分，三角形网格平均边长0.1λ，如图3所示，导出网格剖分文件。
在商用软件Ansys中建立介质蒙皮模型，并用三角形网格进行剖分，三角形网格平均边长0.1λ，如图4所示，导出网格剖分文件。
第2步，设置介质蒙皮各层介质参数和观察角度参数。设介质蒙皮层数为 N，各层的相对介电常数为各层的厚度为di,i＝1,...,N。
第3步，计算天线等效口径面的辐射功率：
其中，和为天线等效口径面上的电场和磁场，*表示取共轭，Re表示取实部，表示等效口径面的法向矢量，表示对等效口径面进行积分；
第4步，计算天线在金属桁架表面的磁场，根据物理光学法计算金属桁架表面的感应电流；
利用Stratton-Chu公式计算金属桁架表面任意一点处的磁场：
其中，ω＝2πf为角频率，ε为自由空间中的介电常数，为处的单位法向矢量，为格林函数，▽和▽'为梯度算子，
利用物理光学方法计算金属桁架表面处的感应电流：
其中，δ为遮挡因子，如果位于阴影区，δ＝0，否则如果位于照明区，δ＝1，图5为电磁波照射物体时所形成的照明区和阴影区示意图。
第5步，计算天线在介质蒙皮内表面的电场和磁场，并计算该点的传输系数，然后计算介质蒙皮外表面的电场和磁场，再根据外表面的电场和磁场计算感应电流和磁流；
利用Stratton-Chu公式计算介质蒙皮内表面任意一点处的电场和磁场：
其中μ表示磁导率。
利用等效传输线模型计算处的水平和垂直传输系数，如图6所示为多层介质的等效传输线模型，垂直极化各层转移矩阵可以表示为：
其中表示介质蒙皮各层波阻抗的垂直分量，Zn为n层介质中电磁波的波阻抗，θn为n层介质中电磁波的传播方向与第n层介质表面法向之间的夹角，N层介质总的垂直极化转移矩阵表示为：
垂直极化传输系数表示为：
其中，和分别表示介质蒙皮外表面和内表面波阻抗的垂直分量，ZN+1为介质蒙皮外表面中电磁波的波阻抗，θN+1为介质蒙皮外表面中电磁波的传播方向与介质蒙皮外表面法向之间的夹角，Z0为介质蒙皮内表面中电磁波的波阻抗，θ0为介质蒙皮内表面中电磁波的传播方向与介质蒙皮内表面法向之间的夹角。
根据对偶原理，水平极化的传输系数为：
其中，和分别表示介质蒙皮外表面和内表面波阻抗的水平分量。
介质蒙皮外表面的透射电场和磁场为：
其中表示水平极化单位矢量，其中表示垂直极化单位矢量；
介质蒙皮外表面的感应电流和磁流为：
第6步，计算金属桁架表面感应电流在观察方向上的辐射远场；计算介质蒙皮外表面的感应电流和磁流在观察方向上的辐射远场，并将这两部分场累加，得到天线等效口径面、金属桁架和介质蒙皮总的辐射场。
金属桁架表面感应电流在观察方向上的辐射远场为：
其中，表示对桁架表面进行积分，表示观察方向的单位矢量，θ和分别表示俯仰角和方位角；
介质蒙皮外表面的感应电磁流在观察方向上的辐射远场为：
其中，表示对介质蒙皮进行积分；
将和累加得到天线等效口径面、金属桁架和介质蒙皮总的辐射场：
第7步，计算天线等效口径面、金属桁架和介质蒙皮总的增益，并提取性能参数；
其中Z为自由空间的波阻抗，从增益中提取天线等效口径面、金属桁架和介质蒙皮总的的性能指标。
为了验证本方法的正确性，考虑金属桁架对天线增益的影响，金属桁架天线罩半径为1.5米，桁架截面为0.03米×0.03米，天线工作频率为2GHz，等效口径面半径为0.5米，等效口径面为均匀口径场，场分布为：分别采用本方法和精确的快速多极子方法计算，计算结果如7和图8所示，可以看出金属桁架对天线增益确实有较大影响；本文方法和精确的快速多极子方法吻合良好，但计算时间可以大大节省。
其次考虑一天线等效口径面直径为13米，天线罩直径为20米，工作频率为 2GHz的天线-天线罩结构，桁架截面为0.03米×0.03米的矩形，桁架平均长度为2米。介质蒙皮共3层，各层的相对介电常数和厚度如表1所示。图9和图 10分别给出了有天线罩和无天线罩增益变化情况，从图中可以看出有金属桁架和介质蒙皮后0°方向的增益下降了1.1dB。
表1蒙皮各层相对节点常数和厚度
Claims (7)
1.一种快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法，其步骤如下：
第1步，设置天线工作频率f，建立天线等效口径面、金属桁架、介质蒙皮的几何模型，并对模型进行网格划分；
第2步，设置介质蒙皮各层介质参数和观察角度参数；
第3步，计算天线等效口径面的辐射功率；
第4步，计算天线在金属桁架表面的磁场，根据物理光学法计算金属桁架表面的感应电流；具体过程为：
4.1利用Stratton-Chu公式计算金属桁架表面任意一点处的磁场：
其中，ω＝2πf为角频率，f为天线的工作频率，ε为自由空间中的介电常数，为处的单位法向矢量，为格林函数，和为梯度算子， 和为天线等效口径面上的电场和磁场；
4.2利用物理光学方法计算金属桁架表面处的感应电流：
其中，δ为遮挡因子，如果位于阴影区，δ＝0，否则如果位于照明区，δ＝1；
第5步，计算天线在介质蒙皮内表面的电场和磁场，并计算该点的传输系数，然后计算介质蒙皮外表面的电场和磁场，再根据外表面的电场和磁场计算感应电流和磁流；
第6步，计算金属桁架表面感应电流在观察方向上的辐射远场；计算介质蒙皮外表面的感应电流和磁流在观察方向上的辐射远场，并将这两部分场累加，得到天线等效口径面、金属桁架和介质蒙皮总的辐射场；
第7步，计算天线等效口径面、金属桁架和介质蒙皮总的增益，并提取性能参数。
2.根据权利要求1所述的快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法，其特征在于所述步骤1中：
天线的工作频率f对应的波长为λ＝c/f，c为光速，建立一个以坐标原点为中心，半径为R的圆，作为天线的等效口径面模型，对模型进行三角形网格剖分，三角形网格平均边长0.1λ；
建立金属桁架模型，并用三角形网格进行剖分，三角形网格平均边长0.1λ；
建立介质蒙皮模型，并用三角形网格进行剖分，三角形网格平均边长0.1λ。
3.根据权利要求1所述的快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法，其特征在于：所述步骤2中设置介质蒙皮层数N，各层的相对介电常数和各层的厚度di,i＝1,...,N。
4.根据权利要求1所述的快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法，其特征在于，所述步骤3计算天线等效口径面的辐射功率Pr：
其中，和为天线等效口径面上的电场和磁场，*表示取共轭，Re表示取实部，表示等效口径面的法向矢量，表示对等效口径面进行积分。
5.根据权利要求1所述的快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程为：
5.1利用Stratton-Chu公式计算介质蒙皮内表面任意一点处的电场和磁场：
其中μ为自由空间中的磁导率；
5.2利用等效传输线模型计算处的水平和垂直传输系数：
其中，T||表示水平传输系数，T⊥表示垂直传输系数，A、B、C、D为介质蒙皮转移矩阵的元素，和分别表示介质蒙皮外表面和内表面波阻抗的水平分量，和分别表示介质蒙皮外表面和内表面波阻抗的垂直分量；
5.3计算介质蒙皮外表面的透射电场和磁场：
其中表示水平极化单位矢量，其中表示垂直极化单位矢量；
5.4计算介质蒙皮外表面的感应电流和磁流：
。
6.根据权利要求1或5所述的快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法，其特征在于，所述步骤6的具体过程为：
6.1计算金属桁架表面感应电流在观察方向上的辐射远场：
其中，表示对金属桁架表面进行积分，表示观察方向的单位矢量，θ和分别表示俯仰角和方位角，为自由空间的波数，λ为天线的工作频率f对应的波长，μ为自由空间中的磁导率；
6.2计算介质蒙皮外表面的感应电磁流在观察方向上的辐射远场：
其中，表示对介质蒙皮外表面进行积分；分别为介质蒙皮外表面上任一点处的感应电流、感应磁流，为天线在处的透射电场；
6.3将和累加得到天线等效口径面、金属桁架和介质蒙皮总的辐射场：
。
7.根据权利要求1所述的快速提取金属桁架式天线罩电性能参数的方法，其特征在于，所述步骤7计算天线等效口径面、金属桁架和介质蒙皮总的增益为：
其中Z为自由空间的波阻抗，从增益中提取天线等效口径面、金属桁架和介质蒙皮总的性能指标，Pr为天线等效口径面的辐射功率，为天线等效口径面、金属桁架和介质蒙皮总的辐射场。
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