一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，包括阵元辐射模式的确定；阵元在阵中环境下的模式激励系数的计算；阵列天线远场方向图的计算；阵列天线激励端口网络参数求解。本发明专利技术严格考虑了阵元间的互耦效应，可精确分析阵列天线电性能。所提方法可用于揭示阵元间的互耦效应本质，对于阵列天线的分析与设计具有重要工程意义。

An Analysis Method of Electrical Performance of Array Antenna Based on Element Characteristic Mode

The invention discloses an array antenna electrical performance analysis method based on element characteristic mode, including determination of element radiation mode, calculation of mode excitation coefficient of element in array environment, calculation of far field pattern of array antenna, and solution of network parameters of excitation port of array antenna. The invention strictly considers the mutual coupling effect among array elements, and can accurately analyze the electrical performance of array antenna. The proposed method can be used to reveal the essence of mutual coupling effect between elements, and is of great engineering significance for the analysis and design of array antennas.

【技术实现步骤摘要】
一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法
本专利技术属于天线
，具体涉及一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，可用于指导实际工作中的阵列天线电性能分析。
技术介绍
阵列天线发展至今已百余年历史，由于其具有易于实现多波束，波束捷变及超低副瓣等优点，已被广泛用于通讯与雷达系统中。实际工程中，由于互耦效应的存在，辐射单元在阵列环境中的性能与自由空间是不一致的。其结果是，互耦效应将会显著影响阵列天线的辐射、散射及端口属性，降低天线的电性能并增加设计难度。因此，深入研究辐射单元间互耦效应的作用机理对于阵列天线的精确分析与设计至关重要。一般而言，精确分析阵列天线电性能的策略主要有两类。其一是将整个阵列天线视为一个系统，根据电磁场控制方程及相应边界条件采用数值方法(如矩量法)构造代数方程进行求解分析。这类方法可精确分析天线的电性能并且应用广泛。另一类研究策略旨在探究辐射单元间电磁耦合关系，进而建立阵列电性能与孤立辐射单元电磁特征的关联模型。显然，与直接求解方法相比，这种研究策略显式给出单元特性与阵列特性之间的函数关系，有利于阵列天线的设计。许多科研人员已基于第二种策略开展了丰富的相关研究。例如，基于阵列端口散射参数建立有源单元方向图与孤立辐射单元方向图之间的关联模型，定量描述辐射单元阵中辐射特性与其在自由空间中的辐射特征之间的关系。但这种方法仅适用于最小散射天线类型的辐射单元，如短电偶极子，短磁偶极子等。在辐射单元可用最小散射天线近似的前提下，可基于孤立单元特征给出单元间互阻抗以及单元阵中辐射方向图的计算式。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，该方法考虑了阵元间的互耦效应，能够精确分析阵列天线辐射、散射及端口网络参数，对实际工程中的阵列天线电性能预测具有重要意义。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，包括如下步骤：(1)根据阵元几何参数确定其特征模式信息，特征模式信息包括特征值、模式电流和模式电场；(2)根据阵列天线几何参数和激励分布，构建耦合平衡方程，求解获得阵元在阵列环境中的模式激励系数；(3)确定每一阵元在考虑互耦效应下的模式权重系数，进而根据所获模式权重系数及阵元模式电场确定阵列远区电场方向图；(4)计算获得阵列激励端口网络参数，包括阻抗及散射参数。进一步，所述步骤(1)中，确定阵元特征模式信息，按照如下步骤进行：(1a)根据电场积分方程，构造广义特征值方程，求解获得第m个阵元第a阶特征值模式电流和模式电场(1b)根据步骤(1a)所获得的阵元特征模信息，确定阵元表面总电流Jm；(1c)根据步骤(1a)所获得的阵元特征模信息，确定阵元总辐射电场Em。进一步，所述步骤(2)中，确定各阵元在阵列环境中的模式激励系数，按照如下步骤进行：(2a)确定阵元m在阵中环境下的模式激励系数所满足的平衡方程；(2b)重复步骤(2a)，获得阵元m所有阶次模式所满足的平衡方程；(2c)对阵列中所有阵元重复步骤(2b)，即可获得严格考虑互耦效应的各阵元的模式激励系数所满足的耦合平衡方程；(2d)求解步骤(2c)中所建立的耦合平衡方程，即可获得阵列环境中各阵元的模式激励系数V。进一步，所述步骤(3)中，确定阵列天线的远区电场方向图，按照如下步骤进行：(3a)根据步骤(3)中获得的阵元模式激励系数，确定阵元的模式权重系数P；(3b)阵列天线的远区方向图函数可表示为各阵元模式电场的线性组合。进一步，所述步骤(4)中，确定阵列天线的激励端口网络参数，按照如下步骤进行：(4a)根据步骤(3a)获得的阵列天线阵元的模式加权系数矩阵P，确定天线馈电点处总电流与模式激励系数之间的函数关系；(4b)阵列天线阵元的初始模式激励系数V0与辐射单元端口激励电压所满足的函数关系；(4c)由欧姆定律可确定阵列天线阻抗参数Z；(4d)由微波网络理论可获得阵列激励端口的散射参数S。本专利技术技术与现有技术相比，具有以下特点：1.实际工程中，对阵列天线电性能的精确分析具有重要工程意义。本专利技术提出了一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，从孤立阵元辐射特征出发，构建了阵元辐射特征与阵列天线总辐射特征之间的关联模型，提出了一种表征阵元间互耦效应的参数——模式耦合系数，对考虑互耦效应的阵列天线分析与设计具有重要指导意义。2.本专利技术与传统阵列天线电性能分析方法相比，严格考虑了阵元间的互耦效应，可精确分析阵列天线电性能。并且，所提方法可用于揭示阵元间的互耦效应本质，即模式耦合。附图说明图1是本专利技术一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法的流程图；图2是蝶形天线几何图；图3是6×6蝶形阵列天线；图4是二元并排蝶形阵S12参数随阵元间距变化曲线；图5是采用本专利技术与矩量法仿真结果φ＝0°面辐射方向图对比；图6是采用本专利技术与矩量法仿真结果φ＝90°面辐射方向图对比；图7是采用本专利技术与矩量法仿真结果φ＝0°面散射方向图对比；图8是采用本专利技术与矩量法仿真结果φ＝90°面散射方向图对比。具体实施方式下面结合附图和实施例对专利技术作进一步的详细说明，但并不作为对专利技术做任何限制的依据。参照图1，本专利技术为一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，具体步骤如下：步骤1，确定阵元特征模信息根据阵元几何参数，求解获得其特征模信息，包括如下步骤：(1a)根据电场积分方程，构造广义特征值方程，求解获得第m个阵元第a阶特征值模式电流及模式电场(1b)根据步骤(1a)所获得的阵元特征模信息，确定阵元m的表面总电流Jm：式中，j为虚数单位；Nm为阵元m的模式截断数目；为模式激励系数，且满足式中，为入射到阵元m表面Sm上的电场；(1c)根据步骤(1a)所获得的阵元特征模信息，确定阵元总辐射电场步骤2，确定阵元模式激励系数根据步骤1中确定的阵元特征模信息，考虑到阵列几何参数以及激励分布情况，确定阵元在阵列环境中的模式激励系数，包括如下步骤：(2a)确定阵元m在阵中环境下的模式激励系数：式中，M为阵元总数，Nn为阵元n的模式截断数目，分别为阵元n的第b阶特征值、模式激励系数，为阵元m第a阶初始模式激励系数，其可由下式计算获得：为模式耦合系数，其可由下式计算获得：式中，为阵元n的第b阶模式电场。(2b)重复步骤(2a)，获得阵元m所有阶次模式所满足的平衡方程，如下：式中式中，上标T为转置操作，算子diag生成以输入参数为对角线元素的对角矩阵，Vm、Vn分别为阵元m和阵元n的阵中模式激励系数列阵，为该阵元的初始模式激励系数列阵，Cmn为阵元n对阵元m的模式耦合矩阵，Λn为关于阵元n特征值的对角矩阵；(2c)对阵列中所有阵元重复步骤(2b)，即可获得严格考虑互耦效应的各阵元的模式激励系数所满足的耦合平衡方程：V＝V0+CΛV式中Λ＝diag(Λn)式中，V为阵列天线各阵元阵中模式激励系数组成的列阵，V0为阵列天线各阵元初始模式激励系数组成的列阵，C为模式耦合矩阵，Λ为关于阵列天线各阵元特征值的对角矩阵；(2d)求解步骤(2c)中所建立的耦合平衡方程，即可获得阵列环境中各阵元的模式激励系数V：V＝(U-CΛ)-1V0式中，U为单位矩阵。步骤3，求解阵列天线远区电场方向图根据步骤2中获得的各阵元在阵列环境本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据阵元几何参数确定其特征模式信息；(2)根据阵列天线几何参数及激励分布，构建耦合平衡方程，求解获得阵元在阵列环境中的模式激励系数；(3)确定每一阵元在考虑互耦效应下的模式权重系数，进而根据所获模式权重系数和阵元模式电场确定阵列远区电场方向图；(4)计算获得阵列激励端口网络参数，包括阻抗及散射参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据阵元几何参数确定其特征模式信息；(2)根据阵列天线几何参数及激励分布，构建耦合平衡方程，求解获得阵元在阵列环境中的模式激励系数；(3)确定每一阵元在考虑互耦效应下的模式权重系数，进而根据所获模式权重系数和阵元模式电场确定阵列远区电场方向图；(4)计算获得阵列激励端口网络参数，包括阻抗及散射参数。2.根据权利要求1所述的一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中，确定阵元特征模式信息，按照如下步骤进行：(1a)根据电场积分方程，构造广义特征值方程，求解获得第m个阵元第a阶特征值模式电流和模式电场(1b)根据步骤(1a)所获得的阵元特征模信息，确定阵元表面总电流Jm：式中，j为虚数单位；Nm为阵元m的模式截断数目；为模式激励系数，且满足式中，为入射到阵元m表面Sm上的电场；(1c)根据步骤(1a)所获得的阵元特征模信息，确定阵元总辐射电场Em：3.根据权利要求1所述的一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中，确定各阵元在阵列环境中的模式激励系数，按照如下步骤进行：(2a)确定阵元m在阵中环境下的模式激励系数所满足的平衡方程；式中，M为阵元总数，Nn为阵元n的模式截断数目，Vbn分别为阵元n的第b阶特征值、模式激励系数，为阵元m第a阶初始模式激励系数；为模式耦合系数；(2b)重复步骤(2a)，获得阵元m所有阶次模式所满足的平衡方程如下：式中式中，上标T为转置操作，算子diag生成以输入参数为对角线元素的对角矩阵，Vm、Vn分别为阵元m和阵元n的阵中模式激励系数列阵，为该阵元的初始模式激励系数列阵，Cmn为阵元n对阵元m的模式耦合矩阵，Λn为关于阵元n特征值的对角矩阵；(2c)对阵列中所有阵元重复步骤(2b)，即可获得严格考虑互耦效应的各阵元的模式激励系数所满足的耦合平衡方程：V＝V0+CΛV式中Λ＝diag(Λn)式中，V为阵列天线各阵元阵中模式激励系数组成的列阵，V0为阵列天线各阵元初始模式激励系数组成的列阵，C为模式耦合矩阵，Λ为关于阵列天线各阵元特征值的对角矩阵；(2d)求解步骤(2c)中所建立的耦合平衡方程，即可获得阵列环境...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄顺喜，王伟，钱思浩，葛潮流，段宝岩，
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