一種快速提取天線-罩系統(tǒng)電性能參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種快速提取天線-罩系統(tǒng)電性能參數(shù)的方法，屬于雷達(dá)天線技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，天線罩已經(jīng)成為天線系統(tǒng)的重要組成部分。天線罩應(yīng)滿(mǎn)足 綜合體電氣指標(biāo)、機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗候性能、使用壽命W及工藝制造成本等復(fù)雜的相互矛盾 的要求。
[0003] 現(xiàn)階段天線罩理論計(jì)算分析主要分為解析方法、低頻算法、高頻算法。解析方法公 式推導(dǎo)繁瑣復(fù)雜，對(duì)于非規(guī)則的復(fù)雜天線罩就很難或者無(wú)法得到準(zhǔn)確的求解公式。低頻算 法使用全波分析方法分析結(jié)構(gòu)電磁特性，可W對(duì)任意結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行有效分析，其精度高、計(jì) 算準(zhǔn)確，但是運(yùn)算量大，計(jì)算速度慢。目前雷達(dá)天線通常工作在較高頻段，天線罩電尺寸大， 使用低頻算法在短時(shí)間內(nèi)更加難W完成，而高頻算法能夠在計(jì)算誤差可接受范圍內(nèi)大大提 高計(jì)算速度。物理光學(xué)法又稱(chēng)為口面剖分-表面積分法，作為一種能夠滿(mǎn)足一定的精度要 求，又能夠滿(mǎn)足普通仿真需求的高頻計(jì)算方法，被廣泛應(yīng)用于天線罩分析與設(shè)計(jì)中。
[0004] 許多電磁仿真軟件可用于帶罩天線性能計(jì)算，如CST、FEK0、HFSS等，但當(dāng)天線罩尺 寸結(jié)構(gòu)較大時(shí)存在內(nèi)存消耗大，時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，且工作量大，例如改動(dòng)某一項(xiàng)天線罩結(jié)構(gòu)參 數(shù)便需要重新建模仿真計(jì)算。所W需要一款專(zhuān)用于天線-罩系統(tǒng)電性能預(yù)測(cè)的軟件，用戶(hù)根 據(jù)軟件界面提示輸入天線和天線罩參數(shù)，由軟件實(shí)時(shí)完成成果展示并存儲(chǔ)結(jié)果于指定文件 夾中。
[0005] 現(xiàn)有的分析天線-罩系統(tǒng)電性能參數(shù)方法由于沒(méi)有完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，存在W 下問(wèn)題:天線口面不能任意選擇，天線罩參數(shù)設(shè)置過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果需要手動(dòng)存儲(chǔ)，計(jì)算 進(jìn)度不可知。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種快速提取天線-罩系統(tǒng)電性能參數(shù)的方法。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用W下技術(shù)方案：
[000引本發(fā)明提供一種快速提取天線-罩系統(tǒng)電性能參數(shù)的方法，具體步驟如下：
[0009] 步驟1，確定天線口面場(chǎng)，設(shè)置天線工作頻率，天線偏移天線罩中屯、的坐標(biāo)，水平及 俯仰偏轉(zhuǎn)角度；
[0010] 步驟2,確立天線罩3D幾何模型，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分;確定罩壁結(jié)構(gòu)，并設(shè)置各 層介質(zhì)電參數(shù)；
[0011] 步驟3,確定天線罩外遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)觀察位置，掃描角范圍及掃描步長(zhǎng)；
[0012] 步驟4,利用剖分的天線口面場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)近場(chǎng)福射公式，計(jì)算天線在天線罩內(nèi)壁 的電場(chǎng)和磁場(chǎng);利用等效傳輸線理論，計(jì)算電磁波在不同極化方式下傳輸系數(shù);將天線罩內(nèi) 壁電磁場(chǎng)分解成垂直極化和水平極化分量，利用對(duì)應(yīng)傳輸系數(shù)得到天線罩外壁垂直極化和 水平極化下的電磁場(chǎng)，通過(guò)不同極化分量的矢量合成得到天線罩外表面電場(chǎng)和磁場(chǎng)的合成 場(chǎng)；
[0013] 步驟5,通過(guò)天線罩外表面積分和福射公式，得到有天線罩情況下，在觀察方向上 的福射遠(yuǎn)場(chǎng)；
[0014] 步驟6,計(jì)算無(wú)罩時(shí)天線在觀察方向上產(chǎn)生的福射遠(yuǎn)場(chǎng);比較有罩和無(wú)罩時(shí)的遠(yuǎn)區(qū) 電場(chǎng)方向圖，并提取不同掃描角下電性能參數(shù)。
[0015] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟2中使用CATIA軟件建立天線罩3D幾何模型， 并使用PATRAN軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分。
[0016] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟3中天線罩外遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，距開(kāi)口面處的距離為r， 其中，r〉D2A，D為天線口面直徑，λ為工作波長(zhǎng)。
[0017] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟4中利用剖分的天線口面場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)近場(chǎng)福 射公式，計(jì)算天線在天線罩內(nèi)壁各剖分塊上產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，具體為：
[0020] 其中，k代表在如的空間距離內(nèi)包含的波長(zhǎng)數(shù)；;異表示r方向的單位矢量；5是口面 的法線方向即??Μ波的福射方向；若和孩分別代表天線口面上某點(diǎn)處的電場(chǎng)和磁場(chǎng);μ代表 磁導(dǎo)率，ε代表介電常數(shù);E(x'，y'，z'）和H(x'，y'，z'）分別代表天線在天線罩內(nèi)壁某剖分塊 中屯、點(diǎn)（x'，y'，z'）處產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)值;r代表天線口面中某個(gè)剖分塊中屯、點(diǎn)到近場(chǎng)福 射點(diǎn)的距離。
[0021] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟1中還包括由FEK0或者HFSS軟件建立天線的 模型。
[0022] 本發(fā)明采用W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下技術(shù)效果：
[0023] (1)天線口面參數(shù)可W任意選擇，天線罩參數(shù)設(shè)置過(guò)程簡(jiǎn)單，所有的參數(shù)設(shè)置都在 界面顯示，方便用戶(hù)使用；
[0024] (2)計(jì)算結(jié)果能夠根據(jù)用戶(hù)制定路徑完成存儲(chǔ)，無(wú)需進(jìn)行繁瑣的圖像保存，且計(jì)算 過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示輸出成果.
[0025] (3)在軟件界面設(shè)計(jì)進(jìn)度條，可W實(shí)時(shí)顯示計(jì)算進(jìn)度，便于用戶(hù)了解計(jì)算情況。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1為本發(fā)明一種天線-罩系統(tǒng)電性能參數(shù)計(jì)算及成果顯示的方法的流程圖。
[0027] 圖2(a)為標(biāo)準(zhǔn)角錐卿趴天線口面電場(chǎng)模型。
[00%]圖2(b)為標(biāo)準(zhǔn)角錐卿趴天線口面磁場(chǎng)模型。
[0029] 圖2(c)為標(biāo)準(zhǔn)角錐卿趴天線等效口面電場(chǎng)網(wǎng)格剖分后模型。
[0030] 圖2(d)為標(biāo)準(zhǔn)角錐卿趴天線等效口面磁場(chǎng)網(wǎng)格剖分后模型。
[0031] 圖3(a)為由CATIA建立的正切卵形天線罩模型。
[0032] 圖3(b)為由PATRAN對(duì)正切卵形天線罩進(jìn)行網(wǎng)格剖分后的模型。
[0033] 圖4為多層介質(zhì)的等效傳輸線模型。
[0034] 圖5為計(jì)算天線罩某剖分塊外電場(chǎng)和磁場(chǎng)的過(guò)程示意圖。
[0035] 圖6為本發(fā)明的軟件實(shí)現(xiàn)流程。
[0036] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中使用的正切卵形天線罩截面示意圖。
[0037] 圖8(a)為本發(fā)明實(shí)施例中得到的電性能參數(shù)結(jié)果一一方向圖。
[0038] 圖8(b)為本發(fā)明實(shí)施例中得到的電性能參數(shù)結(jié)果一一透波率。
[0039] 圖8(c)為本發(fā)明實(shí)施例中得到的電性能參數(shù)結(jié)果一一插入相位移。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：
[0041] 如圖1所示，本發(fā)明公開(kāi)了一種天線-罩系統(tǒng)電性能參數(shù)計(jì)算及成果顯示的方法， 包括W下步驟：
[0042] 步驟1，確定天線口面場(chǎng)，設(shè)置天線工作頻率，天線偏移天線罩中屯、的坐標(biāo)，水平及 俯仰偏轉(zhuǎn)角度；
[0043] 步驟2,確立天線罩3D幾何模型，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分;確定罩壁結(jié)構(gòu)，并設(shè)置各 層介質(zhì)電參數(shù)；
[0044] 步驟3,確定天線罩外遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)觀察位置，掃描角范圍及掃描步長(zhǎng)；
[0045] 步驟4,利用剖分的天線口面場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)近場(chǎng)福射公式，計(jì)算天線在天線罩內(nèi)壁 的電場(chǎng)和磁場(chǎng);利用等效傳輸線理論，計(jì)算電磁波在不同極化方式下傳輸系數(shù);將天線罩內(nèi) 壁電磁場(chǎng)分解成垂直極化和水平極化分量，利用對(duì)應(yīng)傳輸系數(shù)得到天線罩外壁垂直極化和 水平極化下的電磁場(chǎng)，通過(guò)不同極化分量的矢量合成得到天線罩外表面電場(chǎng)和磁場(chǎng)的合成 場(chǎng)；
[0046] 步驟5,通過(guò)天線罩外表面積分和福射公式，得到有天線罩情況下，在觀察方向上 的福射遠(yuǎn)場(chǎng)；
[0047] 步驟6,計(jì)算無(wú)罩時(shí)天線在觀察方向上產(chǎn)生的福射遠(yuǎn)場(chǎng);比較有罩和無(wú)罩時(shí)的遠(yuǎn)區(qū) 電場(chǎng)方向圖，并提取不同掃描角下電性能參數(shù)。
[0048] 在上述步驟1中，選擇天線類(lèi)型，設(shè)置天線各項(xiàng)參數(shù)。如圖2(a)至2(d)所示，該卿趴 天線模型由FEK0或者HFSS等商用軟件建立，計(jì)算天線福射方向某塊矩形或圓形口面的電場(chǎng) 和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，用于等效原天線。其他類(lèi)型天線同理計(jì)算等效口面，所有天線的等效口面場(chǎng)數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)在天線庫(kù)中供用戶(hù)選擇。用戶(hù)完成口面場(chǎng)選擇后，進(jìn)行天線工作頻率、天線偏移天線 罩中屯、的坐標(biāo)、水平及俯仰偏轉(zhuǎn)角度等參數(shù)設(shè)置。
[00例如圖3(a)和3(b)所示，步驟2中使用CATIA軟件建立天線罩3D模型，并使用PATRAN 軟件對(duì)模型進(jìn)行Ξ角網(wǎng)格剖分，將導(dǎo)出的網(wǎng)格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于天線罩模型庫(kù)中，供用戶(hù)選擇。將 罩壁蒙皮及忍層介質(zhì)層數(shù)N，各層的相對(duì)介電常數(shù)Eu，j = l，. . .，N，各層的損耗角正切tanSj 和各層厚度山，j = l，...，N等信息W文本形式存儲(chǔ)于罩壁結(jié)構(gòu)庫(kù)中，供用戶(hù)直接選擇，如表 1所示。
[0050]表1天線罩壁各層相對(duì)介電常數(shù)及厚度
[0化1 ]
[0052]~步驟4具體過(guò)程為:使用天線口面場(chǎng)數(shù)據(jù)，如圖2(b)所示，再利用近場(chǎng)福射公式計(jì) 算天線等效口面在天線罩內(nèi)壁各剖分塊上產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)：
[0化3]
[0化5]其中，k代表在化的空間距離內(nèi)包含的波長(zhǎng)數(shù)；??；表示r方向的單位矢量；穿是口面 的法線方向即??Μ波的福射方向；復(fù)和度分別代表天線口面上某點(diǎn)處的電場(chǎng)和磁場(chǎng);μ代表 磁導(dǎo)率，ε代表介電常數(shù);E(x'，y'，z'）和H(x'，y'，z'）分別代表天線在天線罩內(nèi)壁某剖分塊 中屯、點(diǎn)（x'，y'，z'）處產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)值;r代表天線口面中某個(gè)剖分塊中屯、點(diǎn)到近場(chǎng)福 射點(diǎn)的距離。
[0056] 設(shè)天線口面子分塊中屯、點(diǎn)坐標(biāo)為(x，y，0)，天線罩內(nèi)壁分塊中屯、點(diǎn)坐標(biāo)為(x'，y'， Z'），則：
[0057]
(3)
[005引傳輸系數(shù)反映了頻率、電磁波入射角及極化特性，無(wú)論哪種天線罩，都要求具有高 功率傳輸系數(shù)W及低功率反射系數(shù)。如圖4所示，利用等效傳輸線理論計(jì)算電磁波在水平極 化和垂直極化方式下的傳輸系數(shù)，如下：
[0化9] 巧
[0060] 其中，Zo為自由空間的特征阻抗，對(duì)于水平極化，其特征阻抗為Z。=Z" COS6。，而對(duì) 于垂直極化特征阻抗為
e〇指電磁波入射到平板的入射角度;A、B、C、D為網(wǎng)絡(luò)總 級(jí)聯(lián)矩降