等离子鞘套下相控阵天线方向图的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种等离子鞘套下相控阵天线方向图的计算方法，确定相控阵天线阵元的基本模块和空间位置，建立等离子鞘套下相控阵天线的计算模型；计算平行极化电磁波和垂直极化电磁波经过等离子鞘套的透射系数；设置相控阵天线每个阵元的端口馈电电流，获得等离子鞘套影响下各个阵元之间的互耦矩阵，计算实际发射时每个阵元的端口电流，计算每个阵元的近场区的电磁场；获得相控阵天线近场穿过等离子鞘套后的电场复矢量；对每个阵元的远场区辐射场进行相干叠加处理，得到等离子鞘套下相控阵天线的远场方向图。本发明专利技术考虑等离子鞘套对相控阵天线各阵元之间的互耦的影响，精确求解等离子鞘套下相控阵天线的远区辐射场，计算过程简单，工作量小。

A method for calculating the pattern of phased array antenna under plasma sheath

The invention discloses a method of calculating the direction map of the phased array antenna under the plasma sheath, determines the basic module and the space position of the phased array antenna array element, establishes the calculation model of the phased array antenna under the plasma sheath, and calculates the transmission coefficient of the parallel polarized electromagnetic wave and the vertical polarization electromagnetic wave through the plasma sheath; The mutual coupling matrix of each array element under the influence of the plasma sheath is obtained by the feed current of each array element of the phased array antenna, and the current of each element is calculated at the actual launch time, and the electromagnetic field in the near field of each element is calculated. The far-field radiation pattern of the far-field region is processed by coherent superposition, and the far-field pattern of the phased array antenna under plasma sheath is obtained. The invention considers the influence of the plasma sheath on the mutual coupling between the elements of the phased array antenna, and accurately calculates the far zone radiation field of the phased array antenna under the plasma sheath. The calculation is simple and the workload is small.

【技术实现步骤摘要】
等离子鞘套下相控阵天线方向图的计算方法
本专利技术属于天线领域，涉及一种等离子鞘套下相控阵天线方向图的计算方法，适用于实际工程应用。
技术介绍
当航天器以高超声速返回大气层时，飞行器驻点与空气激波发生剧烈摩擦，使空气温度和压力急剧上升，导致气体分子发生电离，产生一层包裹着飞行器的等离子鞘套。等离子鞘套中含有大量的自由电子，通过反射和吸收效应严重衰减了飞行器测控通信的电磁信号，甚至导致信号传输中断，产生“通信黑障”现象。为了克服这一问题，有航天专家提出采用中继卫星来缓解“黒障”。其基本思路是根据等离子鞘套电子密度分布特点，将天线安装在等离子鞘套较弱的飞行器尾部，从背风面向天基中继卫星传输，信号经中继卫星再转发至地面测控站，避开了直接对地通信时巨大的信号能量衰减，达到缓解“黑障”的目的。采用中继方法的代价是增加了信号的传输距离和空间衰减量。相控阵天线能很容易实现极窄的波束和很高的增益，采用相控阵天线替代传统的全向单天线，结合飞行器的位置和姿态信息，通过波束形成技术将天线波束指向中继卫星，提高信号传输质量，抑制通信“黑障”现象。但是，等离子鞘套是一种有耗色散的复介电系数介质，而且具有很强的非均匀分布特性，对相控阵天线波束合成效果和波束指向精度具有一定的影响。主要表现为以下两点：(1)等离子鞘套对天线辐射的电磁波产生较强的折射作用，导致不同方向角上电磁波的附加传播路径相差较大，导致远场相干叠加的畸变；(2)等离子鞘套对电磁波产生强烈的反射作用，从而改变天线阵元的阻抗特性，以及增加阵元之间的互耦作用；导致天线在远场的方向图发生变化，最终导致天线辐射性能的降低。等离子鞘套与相控阵天线辐射电磁波之间相互作用十分复杂，因此等离子鞘套下相控阵天线在远场方向图很难获得，亟需一种快速、准确获得等离子鞘套下相控阵天线方向图计算方法。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种等离子鞘套下相控阵天线方向图的计算方法，考虑等离子鞘套对相控阵天线各阵元之间的互耦的影响，精确求解等离子鞘套下相控阵天线的远区辐射场，计算过程简单，工作量小，解决了现有技术存在的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种等离子鞘套下相控阵天线方向图的计算方法，具体按照以下步骤进行：步骤1：根据工程需要，确定相控阵天线阵元的基本模块和空间位置，根据等离子鞘套参数的空间分布特征，建立等离子鞘套下相控阵天线的计算模型；步骤2：利用等效传输线理论，计算平行极化电磁波经过等离子鞘套的透射系数T||％和垂直极化电磁波经过等离子鞘套的透射系数T⊥％；步骤3：设置相控阵天线每个阵元的端口馈电电流的幅度和相位，通过电磁仿真软件获得等离子鞘套影响下各个阵元之间的互耦矩阵，计算实际发射时每个阵元的端口电流，计算每个阵元的近场区的电磁场；步骤4：对每个阵元的近场区的电磁场进行分解，获得入射等离子鞘套的平行极化分量和垂直极化分量，代入平行和垂直极化电磁波经过等离子鞘套的场强衰减和相位延迟因子，获得相控阵天线近场穿过等离子鞘套后的电场复矢量；步骤5：对每个阵元的远场区辐射场进行相干叠加处理，计算得到等离子鞘套下相控阵天线的远场方向图。本专利技术的特征还在于，进一步的，所述步骤1中，建立等离子鞘套下相控阵天线的计算模型，具体为：设有N＝Nx×Ny个相同辐射元安装在某一平面上，沿x方向间距为dx，沿y方向间距为dy，第mn个单元的坐标位置为：根据等离子鞘套的电子密度变化曲线，用相邻的均匀离子体薄层模拟非均匀等离子鞘套，第n层等离子体特征频率ωp,n根据式(1)计算：其中，e为电子电荷，ne为第n层等离子体的电子密度，me为电子质量，ε0为自由空间介电常数；第n层相对介电常数根据式(2)计算：其中，ω为入射电磁波频率，ν为等离子体的碰撞频率，n为等离子体层数，j代表复数虚部的单位。进一步的，所述步骤3中，计算每个阵元的近场区的电磁场，具体为：取第mn个阵元激励电流为Imn代表第mn个阵元馈电幅度，βmn代表第mn个阵元馈电相位，通过电磁仿真软件CST获得等离子鞘套影响下各个阵元之间的互耦矩阵，第mn个阵元端口实际发射时端口电流根据式(5)计算：其中，Smn,pq表示第pq个阵元对第mn个阵元的互耦系数，表示第pq个阵元的激励电流；取第mn个阵元方向图为则第mn个阵元的近场区的电磁场Emn根据式(6)计算：其中，k是自由空间波数，是坐标原点到远场点的单位矢量，R是阵元到坐标原点的距离，是阵元到坐标原点的位置矢量，θ表示俯仰角，表示方位角。进一步的，所述步骤4中，相控阵天线近场穿过等离子鞘套后的电场复矢量的计算，具体为：其中，为相控阵天线近场穿过等离子鞘套后的电场复矢量，是单位矢量平行极化波，是单位矢量垂直极化波，是每个阵元辐射的平行极化波，是每个阵元辐射的垂直极化波；T||(θ)是平行极化电磁波经过等离子鞘套的复透射系数，是垂直极化电磁波经过等离子鞘套的复透射系数。进一步的，所述步骤5中，计算相控阵天线的远场方向图，具体为：其中，是相控阵天线远场的平行极化波相控阵辐射方向图，是相控阵天线远场的垂直极化波相控阵辐射方向图。本专利技术的有益效果是，具有以下优点：1)计算相控阵天线在实际发射时每个阵元天线的端口电流，精确考虑等离子鞘套对相控阵天线各阵元之间的互耦的影响，计算天线方向图。2)通过计算电磁波经过等离子鞘套的场强衰减和相位延迟因子数对自由空间电场矢量修正，获得相控阵天线近场穿过等离子鞘套后的电场复矢，在远场进行矢量叠加获得等离子鞘套下相控阵天线方向图，不需要了解等离子鞘套内天线的工作模式及辐射特性，即可解决有损介质对相控阵天线影响的复杂过程，减小了计算的复杂性和工作量。本专利技术计算方法的每一步都基于严格的理论，理论上的严谨性保证了计算结果的精确性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术的流程示意图；图2是双高斯分布的等离子鞘套的分层模型；图3是等离子鞘套下相控阵天线的计算模型；图4是分层等离子鞘套的等效传输线计算模型；图5a是阵列元件的基本结构；图5b是平面相控阵天线的布局；图6a是天线波束指向角为10°时等离子鞘套下相控阵天线方向图；图6b是天线波束指向角为20°时等离子鞘套下相控阵天线方向图；图7是天线波束指向角为20°时本专利技术理论计算和电磁仿真计算辐射方向图对比。具体实施方式以下结合附图和具体实施例，对本专利技术作进一步详细阐述。应当理解，所述实施例仅用于说明本专利技术，而不用于限制本专利技术的保护范围。此外应理解，在阅读了本专利技术描述的内容以后，本领域技术人员可以对本专利技术做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的保护范围。如图1所示，本专利技术公开了一种等离子鞘套下相控阵天线方向图的计算方法，具体按照以下步骤进行：步骤1：根据工程需要，确定相控阵天线基本参数，包括阵元的基本模块和空间位置，根据等离子鞘套参数的空间分布特征，建立等离子鞘套的分层模型，进而建立等离子鞘套下相控阵天线的计算模型；设有N＝Nx×Ny个相同辐射元安装在某一平面上，沿x方向间距为dx，沿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等离子鞘套下相控阵天线方向图的计算方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：步骤1：根据工程需要，确定相控阵天线阵元的基本模块和空间位置，根据等离子鞘套参数的空间分布特征，建立等离子鞘套下相控阵天线的计算模型；步骤2：利用等效传输线理论，计算平行极化电磁波经过等离子鞘套的透射系数T||％和垂直极化电磁波经过等离子鞘套的透射系数T⊥％；步骤3：设置相控阵天线每个阵元的端口馈电电流的幅度和相位，通过电磁仿真软件获得等离子鞘套影响下各个阵元之间的互耦矩阵，计算实际发射时每个阵元的端口电流，计算每个阵元的近场区的电磁场；步骤4：对每个阵元的近场区的电磁场进行分解，获得入射等离子鞘套的平行极化分量和垂直极化分量，代入平行和垂直极化电磁波经过等离子鞘套的场强衰减和相位延迟因子，获得相控阵天线近场穿过等离子鞘套后的电场复矢量；步骤5：对每个阵元的远场区辐射场进行相干叠加处理，计算得到等离子鞘套下相控阵天线的远场方向图。

【技术特征摘要】
1.一种等离子鞘套下相控阵天线方向图的计算方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：步骤1：根据工程需要，确定相控阵天线阵元的基本模块和空间位置，根据等离子鞘套参数的空间分布特征，建立等离子鞘套下相控阵天线的计算模型；步骤2：利用等效传输线理论，计算平行极化电磁波经过等离子鞘套的透射系数T||％和垂直极化电磁波经过等离子鞘套的透射系数T⊥％；步骤3：设置相控阵天线每个阵元的端口馈电电流的幅度和相位，通过电磁仿真软件获得等离子鞘套影响下各个阵元之间的互耦矩阵，计算实际发射时每个阵元的端口电流，计算每个阵元的近场区的电磁场；步骤4：对每个阵元的近场区的电磁场进行分解，获得入射等离子鞘套的平行极化分量和垂直极化分量，代入平行和垂直极化电磁波经过等离子鞘套的场强衰减和相位延迟因子，获得相控阵天线近场穿过等离子鞘套后的电场复矢量；步骤5：对每个阵元的远场区辐射场进行相干叠加处理，计算得到等离子鞘套下相控阵天线的远场方向图。2.根据权利要求1所述的一种等离子鞘套下相控阵天线方向图的计算方法，其特征在于，所述步骤1中，建立等离子鞘套下相控阵天线的计算模型，具体为：设有N＝Nx×Ny个相同辐射元安装在某一平面上，沿x方向间距为dx，沿y方向间距为dy，第mn个单元的坐标位置为：根据等离子鞘套的电子密度变化曲线，用相邻的均匀离子体薄层模拟非均匀等离子鞘套，第n层等离子体特征频率ωp,n根据式(1)计算：其中，e为电子电荷，ne为第n层等离子体的电子密度，me为电子质量，ε0为自由空间介电常数；第n层相对介电常数εn％根据式(2)计算：其中，ω为入射电...

【专利技术属性】
技术研发人员：白博文，林小芳，刘彦明，李小平，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61