一种水下甚低频对称振子天线阵辐射场分布的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种水下甚低频对称振子天线阵辐射场分布的计算方法，利用细导线算法进行水下天线阵激励源及其计算空间建模，并加入电压源，利用FDTD方法计算天线阵附近辐射场的分布，再进行外推处理，得到全海水空间中辐射场的分布，最后利用海空边界场值转换技术，将海水中的场外推到空气中，最终得到海面上方空气中辐射场的分布。本发明专利技术对于激励源类型有了更进一步的扩展，将激励源从偶极子扩展到实际通讯运用的线天线及其阵列。本发明专利技术可以解决和分析水下甚低频对称振子天线及其阵列的散射问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种水下甚低频对称振子天线阵辐射场分布的计算方法


[0001]本专利技术属于电磁场
，具体涉及一种天线阵辐射场分布的计算方法。

技术介绍

[0002]随着人类在水下的探测及生产活动越来越频繁，人类对于水下通信的需求也日益提高。在技术飞速发展的今天，传统的声波水下通信已经不再能够满足人类对于信息传输速度的需求，因此电磁波水下通信已经成为近年的热点问题。而电磁波运用于海洋环境时有一个致命的缺点，那就是电磁波在海水中传播时的损耗。要解决这个技术难题，首先需要了解电磁波在海水中的辐射场特性。
[0003]在计算电磁波在海水中的辐射场时，对于色散介质，解析解方法不再适用。而在数值方法中，通常使用FDTD方法(时域有限差分法)来模拟电磁波在海水中的传播。而现有的成果中，仅仅只通过FDTD方法计算过偶极子在海水中的辐射场，通信所使用的天线型辐射源的辐射场却鲜有人计算。因此，非常有必要设计一种能够计算水下天线型辐射源辐射场的方法。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种水下甚低频对称振子天线阵辐射场分布的计算方法，利用细导线算法进行水下天线阵激励源及其计算空间建模，并加入电压源，利用FDTD方法计算天线阵附近辐射场的分布，再进行外推处理，得到全海水空间中辐射场的分布，最后利用海空边界场值转换技术，将海水中的场外推到空气中，最终得到海面上方空气中辐射场的分布。本专利技术对于激励源类型有了更进一步的扩展，将激励源从偶极子扩展到实际通讯运用的线天线及其阵列。本专利技术可以解决和分析水下甚低频对称振子天线及其阵列的散射问题。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
[0006]步骤1：利用细导线算法建立对称振子天线阵模型；
[0007]步骤1
‑
1：确定天线阵工作频率，设其频率为f；由电磁波在有耗介质中的传播规律求得工作频率f的电磁波在海水中传播时的波长为λ
′
，将天线阵元长度确定为λ
′
/2，阵元数确定为2；将天线阵的两个阵元设定为等幅同相，两个阵元的间隔距离为半个波长，即λ
′
/2，构造出侧射二元阵；
[0008]步骤1
‑
2：采用细导线算法建立天线模型，细导线周围围绕着4个磁场分量，由细导线算法推出4个磁场分量中H
y
(i,j,k)的更新方程：
[0009][0010]式中
[0011][0012][0013]其中，表示n+1/2时刻括号内坐标点处的H
y
分量，表示n
‑
1/2时刻括号内坐标点处的H
y
分量，表示n时刻括号内坐标点处的E
z
分量，表示n时刻括号内坐标点处的E
x
分量，Δt表示时间间隔，Δx表示x方向网格步长，a表示细导线半径，μ
y
(.)表示括号内坐标点处y方向上的相对磁导率，Δz表示z方向网格步长，i,j,k分别表示空间坐标；
[0014]步骤2：以天线阵列对称中心为坐标原点建立天线阵邻域的计算模型，并在计算模型中加入海水环境；
[0015]步骤2
‑
1：以侧射二元阵对称中心为坐标原点，建立二元阵模型；将天线沿y方向放置，两个阵元沿x方向放置，天线的两个对称振子以x轴轴对称，间隔为一个网格，馈电点位于x轴上；
[0016]过程2
‑
2：设置输出边界、吸收边界内边界和吸收边界外边界；其中，输出边界距离天线阵列至少λ
′
/4；吸收边界内边界与输出边界之间距离15个网格以上，吸收边界宽度设置为8个网格；
[0017]步骤3：给天线阵加入电压源，利用等效原理和偶极子在有耗介质中的场，计算天线阵邻域的辐射场分布，包括天线阵邻域电磁场各向分量的场值及相位；
[0018]步骤3
‑
1：将天线阵邻域计算空间分为若干个子域；
[0019]步骤3
‑
2：给天线阵加入电压源，通过电压源的电流，通过麦克斯韦旋度方程体现：
[0020][0021]其中，表示哈密尔顿算子，表示电源两端之间的磁场，ε表示介电常数，表示电源两端之间的电场，σ
e
表示电导率，J
i
表示电流密度；
[0022]电压与电场间的关系为：
[0023][0024]其中，V表示两端点间的电压；
[0025]电流与电流密度之间的关系：
[0026][0027]式中：S为单元网格的截面积，其法向矢量与电流I平行；
[0028]则流经z方向的电流密度与电场矢量和磁场矢量之间的关系为：
[0029][0030]其中，E
z
表示z方向上的电场分量，ε
z
表示z方向上的介电常数，H
x
表示x方向上的磁场分量，H
y
表示y方向上的磁场分量，表示z方向上的电导率；
[0031]基于场的位置关系，用中心差分公式表示空间和时间导数：
[0032][0033]其中，表示n+1时刻括号内坐标点处的E
z
分量，表示n+1时刻括号内坐标点处的H
y
分量，表示n+1时刻括号内坐标点处的H
x
分量，Δy表示y方向网格步长，表示n+1/2时刻括号内坐标点处z方向上的电流密度；
[0034]步骤3
‑
3：将一电压为V
s
、内阻为R的电压源置于节点(i，j，k)和(i，j，k+1)之间，其中V
s
是一时变函数，它的波形是事先已知的；则此电路的电压电流关系写成：
[0035][0036]式中
△
V为节点(i，j，k)和(i，j，k+1)之间的电势之差，R
s
表示电路中串联电阻的阻值；
[0037]利用式(3)，
△
V用E
z
来表示，即：
[0038][0039]由于时间离散关系，式(8)中的电势差是属于(n+1/2)Δt时刻的电势，电流I是流过磁场所围面积的电流，利用式(4)，用J
iz
来表示电流I，有：
[0040][0041]式(8)中的电势是在(n+1/2)Δt时刻计算的，与式(6)中的I和J是一致的，将式(8)、式(9)代入式(7)，得：
[0042][0043]式(10)包含了在离散时间和离散空间中电压源的电压与电流之间的关系，利用式(6)重写式(10)，下一时间步的电场表示为：
[0044][0045]式中
[0046][0047][0048][0049][0050]方程(11)即为位于节点(i，j，k)和(i，j，k+1)之间的电压源的FDTD模拟更新方程；
[0051]其它方向的电压源的FDTD模拟更新方程，采用步骤3
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下甚低频对称振子天线阵辐射场分布的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用细导线算法建立对称振子天线阵模型；步骤1
‑
1：确定天线阵工作频率，设其频率为f；由电磁波在有耗介质中的传播规律求得工作频率f的电磁波在海水中传播时的波长为λ
′
，将天线阵元长度确定为λ
′
/2，阵元数确定为2；将天线阵的两个阵元设定为等幅同相，两个阵元的间隔距离为半个波长，即λ
′
/2，构造出侧射二元阵；步骤1
‑
2：采用细导线算法建立天线模型，细导线周围围绕着4个磁场分量，由细导线算法推出4个磁场分量中H
y
(i,j,k)的更新方程：式中式中其中，表示n+1/2时刻括号内坐标点处的H
y
分量，表示n
‑
1/2时刻括号内坐标点处的H
y
分量，表示n时刻括号内坐标点处的E
z
分量，表示n时刻括号内坐标点处的E
x
分量，Δt表示时间间隔，Δx表示x方向网格步长，a表示细导线半径，μ
y
(.)表示括号内坐标点处y方向上的相对磁导率，Δz表示z方向网格步长，i,j,k分别表示空间坐标；步骤2：以天线阵列对称中心为坐标原点建立天线阵邻域的计算模型，并在计算模型中加入海水环境；步骤2
‑
1：以侧射二元阵对称中心为坐标原点，建立二元阵模型；将天线沿y方向放置，两个阵元沿x方向放置，天线的两个对称振子以x轴轴对称，间隔为一个网格，馈电点位于x轴上；过程2
‑
2：设置输出边界、吸收边界内边界和吸收边界外边界；其中，输出边界距离天线阵列至少λ
′
/4；吸收边界内边界与输出边界之间距离15个网格以上，吸收边界宽度设置为8个网格；步骤3：给天线阵加入电压源，利用等效原理和偶极子在有耗介质中的场，计算天线阵邻域的辐射场分布，包括天线阵邻域电磁场各向分量的场值及相位；步骤3
‑
1：将天线阵邻域计算空间分为若干个子域；步骤3
‑
2：给天线阵加入电压源，通过电压源的电流，通过麦克斯韦旋度方程体现：其中，表示哈密尔顿算子，表示电源两端之间的磁场，ε表示介电常数，表示电源两
端之间的电场，σ
e
表示电导率，J
i
表示电流密度；电压与电场间的关系为：其中，V表示两端点间的电压；电流与电流密度之间的关系：式中：S为单元网格的截面积，其法向矢量与电流I平行；则流经z方向的电流密度与电场矢量和磁场矢量之间的关系为：其中，E
z
表示z方向上的电场分量，ε
z
表示z方向上的介电常数，H
x
表示x方向上的磁场分量，H
y
表示y方向上的磁场分量，表示z方向上的电导率；基于场的位置关系，用中心差分公式表示空间和时间导数：其中，表示n+1时刻括号内坐标点处的E
z
分量，表示n+1时刻括号内坐标点处的H
y
分量，表示n+1时刻括号内坐标点处的H
x
分量，Δy表示y方向网格步长，表示n+1/2时刻括号内坐标点处z方向上的电流密度；步骤3
‑
3：将一电压为V
s
、内阻为R的电压源置于节点(i，j，k)和(i，j，k+1)之间，其中V
s
是一时变函数，它的波形是事先已知的；则此电路的电压电流关系写成：式中
△
V为节点(i，j，k)和(i，j，k+1)之间的电势之差，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑奎松，杨铭月，韦高，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：