一種快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)天線技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種快速提取金屬桁架式天線罩電性能參 數(shù)的方法，可用于對(duì)金屬桁架和介質(zhì)蒙皮的天線罩的電性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 天線罩作為雷達(dá)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，為雷達(dá)天線提供了全天候的工作環(huán) 境。天線罩的設(shè)計(jì)需要達(dá)到良好的機(jī)械性能和電信能指標(biāo)。為了滿足機(jī)械性能指標(biāo)，大型 雷達(dá)天線罩一般采用金屬桁架和介質(zhì)蒙皮復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0003] 通常雷達(dá)天線工作在較高的頻段，天線罩尺寸較大，給分析問(wèn)題帶來(lái)了較大的難 度，例如直徑20m的天線罩在Ka波段將達(dá)到2800多個(gè)電波長(zhǎng)，精確的數(shù)值方法，如多層 快速多極子方法MLFMA(J.M.Song,C.C.Lu,andW.C.Chew,Multilevelfastmultipole algorithmforelectromagneticscatteringbylargecomplexobjects,IEEETrans. AntennasPropag.，1997, 45 (10) : 1488 - 1493)在短時(shí)間內(nèi)很難完成，而高頻方法能夠在計(jì) 算誤差可接受的范圍內(nèi)大大提高計(jì)算速度。
[0004] 針對(duì)金屬桁架天線罩電性能的分析，目前廣泛采用的是感應(yīng)電流率理論（杜耀 惟，《天線罩電信設(shè)計(jì)方法》，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1993。），該方法假設(shè)每根桁架無(wú)限長(zhǎng)， 且忽略桁架與桁架連接部分的作用，因此計(jì)算結(jié)果誤差較大，不利于和精確的數(shù)值方法進(jìn) 行比較；其次，針對(duì)圓柱形的桁架，感應(yīng)電流率有解析的計(jì)算公式，而其他形狀的桁架則需 要用數(shù)值方法計(jì)算感應(yīng)電流率，會(huì)增加計(jì)算時(shí)間。
[0005] 現(xiàn)有的分析金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)方法主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題：
[0006] (1)金屬桁架建模過(guò)于簡(jiǎn)單，忽略了金屬桁架連接處的影響。
[0007] (2)由于建模差異，計(jì)算結(jié)果和精確的數(shù)值方法不能進(jìn)行對(duì)比。
[0008] (3)對(duì)于非圓柱形的金屬桁架，需要用數(shù)值方法計(jì)算感應(yīng)電流率，計(jì)算量較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)的方法。
[0010] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù) 的方法，步驟如下：
[0011] 第1步，設(shè)置天線工作頻率f，建立天線等效口徑面、金屬桁架、介質(zhì)蒙皮的幾何模 型，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0012] 第2步，設(shè)置介質(zhì)蒙皮各層介質(zhì)參數(shù)和觀察角度參數(shù)；
[0013] 第3步，計(jì)算天線等效口徑面的輻射功率；
[0014] 第4步，計(jì)算天線在金屬祐1架表面的磁場(chǎng)，根據(jù)物理光學(xué)法計(jì)算金屬祐 1架表面的 感應(yīng)電流；
[0015] 第5步，計(jì)算天線在介質(zhì)蒙皮內(nèi)表面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并計(jì)算該點(diǎn)的傳輸系數(shù)，然后 計(jì)算介質(zhì)蒙皮外表面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，再根據(jù)外表面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)計(jì)算感應(yīng)電流和磁流；
[0016] 第6步，計(jì)算金屬祐1架表面感應(yīng)電流在觀察方向上的福射遠(yuǎn)場(chǎng)；計(jì)算介質(zhì)蒙皮外 表面的感應(yīng)電流和磁流在觀察方向上的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)，并將這兩部分場(chǎng)累加，得到天線等效口 徑面、金屬桁架和介質(zhì)蒙皮總的輻射場(chǎng)；
[0017] 第7步，計(jì)算天線等效口徑面、金屬桁架和介質(zhì)蒙皮總的增益，并提取性能參數(shù)。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)考慮了金屬桁架連接處對(duì)天線性能的 影響。（2)金屬桁架模型更精確，便于和精確的數(shù)值方法進(jìn)行比較。（3)省去了感應(yīng)電流率 的計(jì)算，與金屬桁架形狀無(wú)關(guān)。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是本發(fā)明一種快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)的方法的流程圖。
[0020] 圖2是天線等效口徑面模型及網(wǎng)格劃分。
[0021] 圖3是金屬桁架模型及其網(wǎng)格劃分。
[0022] 圖4是介質(zhì)蒙皮模型及其網(wǎng)格劃分。
[0023] 圖5是電磁波照射物體表面形成的陰影區(qū)和照明區(qū)。
[0024] 圖6是多層介質(zhì)的等效傳輸線模型。
[0025] 圖7是某天線罩2GHz下加金屬桁架前后E面增益曲線。
[0026] 圖8是某天線罩2GHz下加金屬桁架前后H面增益曲線。
[0027] 圖9是某天線罩2GHz下加金屬桁架前后E面增益曲線，（a)是-180° -180°范 圍內(nèi)的增益曲線，（b)是-1. 5°-1. 5°范圍內(nèi)的增益曲線。
[0028] 圖10是某天線罩2GHz下加金屬桁架前后H面增益曲線，（a)是-180°-180°范 圍內(nèi)的增益曲線，（b)是-1. 5°-1. 5°范圍內(nèi)的增益曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0030] 如圖1所示為一種快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)的方法的流程圖。
[0031] 第1步，設(shè)置天線工作頻率f，建立天線等效口徑面、金屬桁架、介質(zhì)蒙皮的幾何模 型，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以用等效口徑面代替雷達(dá)天線。金 屬桁架、介質(zhì)蒙皮是金屬桁架式天線罩的組成部分，金屬桁架主要起支撐介質(zhì)蒙皮的作用， 介質(zhì)蒙皮主要用于保護(hù)雷達(dá)天線。
[0032] 天線的工作頻率f對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為入=c/f，c為光速，在商用軟件Ansys中建立一 個(gè)以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心，半徑為R的圓，作為天線的等效口徑面模型，對(duì)模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格 剖分，平均邊長(zhǎng)〇. 1A，如圖2所示，導(dǎo)出網(wǎng)格剖分文件。
[0033] 在商用軟件Ansys中建立金屬桁架模型，并用三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，三角形網(wǎng)格 平均邊長(zhǎng)0. 1A，如圖3所示，導(dǎo)出網(wǎng)格剖分文件。
[0034] 在商用軟件Ansys中建立介質(zhì)蒙皮模型，并用三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，三角形網(wǎng)格 平均邊長(zhǎng)0. 1A，如圖4所示，導(dǎo)出網(wǎng)格剖分文件。
[0035] 第2步，設(shè)置介質(zhì)蒙皮各層介質(zhì)參數(shù)和觀察角度參數(shù)。設(shè)介質(zhì)蒙皮層數(shù)為N，各層 的相對(duì)介電常數(shù)為&，/_ = 1，___，~，各層的厚度為(1" =1，...，1
[0036] 第3步，計(jì)算天線等效口徑面的輻射功率：
[0037]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)的方法，其步驟如下： 第1步，設(shè)置天線工作頻率f，建立天線等效口徑面、金屬桁架、介質(zhì)蒙皮的幾何模型， 并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分； 第2步，設(shè)置介質(zhì)蒙皮各層介質(zhì)參數(shù)和觀察角度參數(shù)； 第3步，計(jì)算天線等效口徑面的福射功率； 第4步，計(jì)算天線在金屬祐1架表面的磁場(chǎng)，根據(jù)物理光學(xué)法計(jì)算金屬祐1架表面的感應(yīng) 電流； 第5步，計(jì)算天線在介質(zhì)蒙皮內(nèi)表面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并計(jì)算該點(diǎn)的傳輸系數(shù)，然后計(jì)算 介質(zhì)蒙皮外表面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，再根據(jù)外表面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)計(jì)算感應(yīng)電流和磁流； 第6步，計(jì)算金屬祐1架表面感應(yīng)電流在觀察方向上的福射遠(yuǎn)場(chǎng)；計(jì)算介質(zhì)蒙皮外表面 的感應(yīng)電流和磁流在觀察方向上的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)，并將這兩部分場(chǎng)累加，得到天線等效口徑面、 金屬桁架和介質(zhì)蒙皮總的輻射場(chǎng)； 第7步，計(jì)算天線等效口徑面、金屬桁架和介質(zhì)蒙皮總的增益，并提取性能參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)的方法， 其特征在于所述步驟1中： 天線的工作頻率f對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為λ =c/f，c為光速，建立一個(gè)以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心，半 徑為R的圓，作為天線的等效口徑面模型，對(duì)模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格剖分，三角形網(wǎng)格平均邊 長(zhǎng) 0. 1 λ ; 建立金屬桁架模型，并用三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，三角形網(wǎng)格平均邊長(zhǎng)〇.?λ ; 建立介質(zhì)蒙皮模型，并用三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，三角形網(wǎng)格平均邊長(zhǎng)0. ?λ。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)的方法，其特征在 于：所述步驟2中設(shè)置介質(zhì)蒙皮層數(shù)Ν，各層的相對(duì)介電常數(shù)= 1，…，Λ/和各層的厚度 φ，i = 1，…，N0
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)的方法，其特征在 于，所述步驟3計(jì)算天線等效口徑面的輻射功率已 ：
其中，互和互為天線等效口徑面上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，*表示取共軛，Re表示取實(shí)部，;；口徑 表示等效口徑面的法向矢量，I &表示對(duì)等效口徑面進(jìn)行積分。 C 口徑
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)的方法，其特征在 于，所述步驟4的具體過(guò)程為： 4. 1利用Stratton-Chu公式計(jì)算金屬祐1架表面任意一點(diǎn)？處的磁場(chǎng)：
其中，ω =2jif為角頻率，ε為自由空間中的介電常數(shù)，G為p處的單位法向矢量， 為格林函數(shù)，▽和▽'為梯度算子，
4. 2利用物理光學(xué)方法計(jì)算金屬桁架表面;:處的感應(yīng)電流：
?3) 其中，δ為遮擋因子，如果H立于陰影區(qū)，S =〇,否則如果？位于照明區(qū)，δ = 1。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)的方法，其特征在 于，所述步驟5的具體過(guò)程為： 5. 1利用Stratton-Chu公式計(jì)算介質(zhì)蒙皮內(nèi)表面任意一點(diǎn),r處的電場(chǎng)和磁場(chǎng)：
其中μ為自由空間中的磁導(dǎo)率； 5. 2利用等效傳輸線模型計(jì)算？處的水平和垂直傳輸系數(shù)：
其中，T11表不水平傳輸系數(shù)，表不垂直傳輸系數(shù)，A、B、C、D為介質(zhì)蒙皮轉(zhuǎn)移矩陣
的元素，0和H分別表示介質(zhì)蒙皮外表面和內(nèi)表面波阻抗的水平分量， ±和 zf分別表不介質(zhì)蒙皮外表面和內(nèi)表面波阻抗的垂直分量； 5. 3計(jì)算介質(zhì)蒙皮外表面的透射電場(chǎng)和磁場(chǎng)：
其中纟表示水平極化單位矢量，其中?表示垂直極化單位矢量； 5. 4計(jì)算介質(zhì)蒙皮外表面的感應(yīng)電流和磁流：
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)的方法，其特征在 于，所述步驟6的具體過(guò)程為： 6. 1計(jì)算金屬祐1架表面感應(yīng)電流在觀察方向上的福射遠(yuǎn)場(chǎng)：
其中，& ?'表示對(duì)金屬桁架表面進(jìn)行積分^表示觀察方向的單位矢量，Θ和ρ分別 表示俯仰角和方位角，
為自由空間的波數(shù)； 6. 2計(jì)算介質(zhì)蒙皮外表面的感應(yīng)電磁流在觀察方向上的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)：
其中，I ?表示對(duì)介質(zhì)蒙皮外表面進(jìn)行積分； W S介質(zhì)蒙皮 6. 3將(久妁彳;|1 妁累加得到天線等效口徑面、金屬桁架和介質(zhì)蒙皮總的輻射 場(chǎng)：
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)的方法，其特征在 于，所述步驟7計(jì)算天線等效口徑面、金屬桁架和介質(zhì)蒙皮總的增益為：
其中Z為自由空間的波阻抗，從增益G(認(rèn)的中提取天線等效口徑面、金屬桁架和介質(zhì) 蒙皮總的性能指標(biāo)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種快速提取金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)的方法。首先建立天線等效口徑面、金屬桁架、介質(zhì)蒙皮的幾何模型。其次利用Stratton-Chu公式計(jì)算金屬桁架表面上的磁場(chǎng)，并利用物理光學(xué)方法計(jì)算金屬桁架照明區(qū)域的感應(yīng)電流；利用Stratton-Chu公式計(jì)算介質(zhì)蒙皮內(nèi)表面處任意點(diǎn)的入射電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并計(jì)算該點(diǎn)的傳輸系數(shù)，根據(jù)入射電場(chǎng)和磁場(chǎng)以及傳輸系數(shù)求得蒙皮外表面的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，從而計(jì)算外表面的等效電流和等效磁流。最后分別計(jì)算金屬桁架上的感應(yīng)電流和介質(zhì)蒙皮外表面上感應(yīng)電磁流在觀察方向上的遠(yuǎn)場(chǎng)，并計(jì)算增益方向圖，從而得到金屬桁架式天線罩電性能參數(shù)。與現(xiàn)有方法相比，該方法具有精度高，計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G06F19-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104750960
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310746586
【發(fā)明人】陳如山, 樊振宏, 丁大志, 安玉元
【申請(qǐng)人】南京理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2013年12月30日