一种介质空间中天线性能评估方法、装置及电子设备

1.本技术涉及天线测试技术领域，尤其涉及一种介质空间中天线性能评 估方法、装置及电子设备。


背景技术：

2.目前，介质内部天线的性能评估通常采用介质空间直接测试，或者在 实验室搭建小型有限介质空间来模拟无限大或半无限大介质空间进行测 试。但是，在介质空间内部直接测试天线的方法存在测试环境恶劣、测试 操作复杂、测试时间长造价昂贵、测试数据不稳定等不足，比如在海水、 地下矿井测试天线，需要将天线和测试设备运送到海上、矿井等测试现 场。而在实验室有限介质空间测试天线，比如用水池模拟海洋，模拟介质 空间的尺寸远小于实际介质空间，水池的有限边界条件与海洋的无限远边 界条件有很大差别，对于天线的工作频率比较低的情况，在有限尺寸模拟 介质空间测试的天线性能与实际介质空间的天线性能差别较大。因此这两 种测试方法均存在一定的局限性。
3.目前也有采用相似性原理，从相似问题的天线性能来评估原问题天线 性能的方法，即缩比模型方法(参考文献[1]:时振栋.有耗电磁系统的相似 性[j].应用科学学报,1991(01):28-32.)，主要应用在自由空间电大尺寸天线 的测试中，比如机载天线、舰载天线，采用缩小尺寸、频率倍增的缩比模 型来测试，适用条件是原问题天线工作于自由空间，也就是两个相似问题 的介质材料相同(介电常数相等、磁导率相等)，不适于天线工作于介质 空间内部情况。


技术实现要素：

[0004]
有鉴于此，本技术提供一种介质空间中天线性能评估方法、装置及电子 设备，以解决现有技术中对介质空间内部天线很难进行性能评估的技术问 题。
[0005]
一方面，本技术实施例提供了一种介质空间中天线性能评估方法，包括：
[0006]
获取待测天线所在第一介质空间的电磁参数；
[0007]
根据第一介质空间的电磁参数，利用电磁相似条件，匹配一个与第一 介质空间具有电磁相似的第二介质空间以及相似天线；
[0008]
获取在第二介质空间中测试得到的相似天线的天线参数；
[0009]
利用电磁相似问题的对应关系，基于相似天线的天线参数，得到 第一介质空间中待测天线的天线参数。
[0010]
另一方面，本技术实施例提供了一种介质空间中天线性能评估装置， 包括：
[0011]
电磁参数获取单元，用于获取待测天线所在第一介质空间的电磁参数；
[0012]
电磁问题转换单元，用于根据第一介质空间的电磁参数，利用电磁相 似条件，匹配一个与第一介质空间具有电磁相似的第二介质空间以及相 似天线；
[0013]
相似天线参数获取单元，用于获取在第二介质空间中测试得到的 相似天线的天线参数；
[0014]
待测天线参数确定单元，用于利用电磁相似问题的对应关系，基 于相似天线的天线参数，得到第一介质空间中待测天线的天线参数。
[0015]
另一方面，本技术实施例提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器 和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理 器执行所述计算机程序时实现本技术实施例的介质空间中天线性能评估方 法。
[0016]
另一方面，本技术实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算 机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时实 现本技术实施例的介质空间中天线性能评估方法。
[0017]
与现有技术相比，本技术的技术优势在于：
[0018]
本技术从相似性原理推导出两个电磁问题相似的条件，运用在介质空 间内部天线的性能评估中，可以将介质空间内部天线(原问题)的性能参数 用另外一个易于测似的相似问题的天线性能参数表示，那么介质空间内部 天线的性能参数可以通过测试相似问题天线的性能参数来得到，从而解决 了现有技术中对介质空间内部天线很难进行性能评估的技术问题。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下 面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，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。
[0020]
图1为本技术实施例提供的介质空间中天线性能评估方法的流程图；
[0021]
图2为对称振子天线问题1与问题2的阻抗虚部示意图；
[0022]
图3为对称振子天线问题1与问题2的阻抗实部示意图；
[0023]
图4为对称振子天线问题1与问题2的反射系数模值示意图；
[0024]
图5为对称振子天线问题1与问题2的反射系数相位示意图；
[0025]
图6为偏馈反射面天线问题1与问题2的反射系数模值示意图；
[0026]
图7为偏馈反射面天线问题1与问题2的反射系数相位示意图；
[0027]
图8为矩形贴片微带天线问题1与问题2的反射系数模值示意图；
[0028]
图9为矩形贴片微带天线问题1与问题2的反射系数相位示意图；
[0029]
图10为有耗介质空间对称振子问题1与问题2的反射系数模值示意 图；
[0030]
图11为有耗介质空间对称振子问题1与问题2的反射系数相位示意 图；
[0031]
图12为本技术实施例提供的介质空间中天线性能评估装置的功能结构 示意图；
[0032]
图13为申请实施例提供的电子设备的结构图。
具体实施方式
[0033]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申 请实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常 在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来 布置和设计。
[0034]
首先对本技术实施例的设计思想进行介绍。
[0035]
常见的天线大多工作在自由空间(无限大空气中)，天线性能的测试方 法成熟。实际工程中有些天线嵌入在无限大或半无限大介质空间内部工作， 比如水下潜水器中的天线、地下矿井中的天线、沙尘暴环境中的天线。当天 线置于介质空间内部时，其性能与自由空间中的性能有很大差别，用自由空 间的方法测试介质内天线存在理论不适用、操作不方便以及测试数据不准 确的问题。
[0036]
目前，可以从相似问题的天线性能来评估原问题天线性能的方法来解 决上述问题，适用条件是原问题天线工作于自由空间，也就是两个相似问题 的介质材料相同(介电常数相等ε1＝ε2、磁导率相等μ1＝μ2)，而不适于天 线工作于介质空间内部情况。
[0037]
为了解决这个问题，本技术给出的相似条件适用范围更广，包括了两问 题的介电常数相等或不等、磁导率相等或不等情况，比现有技术的适用范围 更广泛。
[0038]
在本技术实施例中，推导了两个相似问题的天线性能映射关系，适于 两个相似问题的介质材料不同，包括介电常数不同、磁导率不同、电导率 不同。对于介质空间内部的天线性能不需要在原介质空间测试天线，可以 在相似问题的介质空间、用相似问题的天线来表示。
[0039]
具体推导过程如下：
[0040]
两个电磁问题分别为空间问题1和空间问题2：
[0041]
空间问题1：空间介质(ε1,μ1,σ1)，空间坐标(x1,y1,z1)，角频率ω1， 电流密度电场矢量磁场矢量其中，ε1为介电常数，μ1为磁导率， σ1为电导率；
[0042]
空间问题2：空间介质(ε2,μ2,σ2)，空间坐标(x2,y2,z2)，角频率ω2， 电流密度电场矢量磁场矢量其中，ε2为介电常数，μ2为磁导率， σ2为电导率；
[0043]
空间问题1的麦克斯韦方程：
[0044][0045][0046]
空间问题2的麦克斯韦方程：
[0047][0048][0049]
空间问题1与空间问题2的坐标单位矢量方向一致，空间尺寸具有比 例关系：
[0050]
x2＝k
l
x1，y2＝k
l
y1，z2＝k
l
z1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0051]
其中，k
l
为比例系数；
[0052]
我们希望空间问题1与空间问题2的场存在线性关系(即相似)：
[0053][0054]
其中，ke和kh为比例系数；
[0055]
从两个问题的麦克斯韦方程来研究两个问题相似性的条件：
[0056]
由
[0057]
得到：
[0058][0059]
则
[0060]
所以：
[0061][0062]
同样：
[0063][0064]
若介质有损耗，则ε1＝ε1′‑
jε1″
,ε2＝ε2′‑
jε2″
,
[0065]
μ1＝μ1′‑
jμ1″
,μ2＝μ2′‑
jμ2″
，
[0066]
比较(3)式与(8)式、(4)式与(9)式得到
[0067][0068][0069][0070][0071][0072][0073][0074][0075]
由(12)与(15)相乘后开根号、(13)与(16)相乘后开根号、(14) 与(17)相乘后开根号可以得到：
[0076][0077]
由(12)与(15)相除、(13)与(16)相除、(14)与(17)相除可以 得到
[0078][0079]
由(11)、(19)式得
[0080][0081]
相似问题的电磁参数关系：
[0082]
1.电压，电流，阻抗，反射系数
[0083]
空间问题1电压：
[0084]
空间问题2电压：
[0085]
由(5)、(6)得
[0086]v2
＝kek
lv1
[0087]
空间问题1电流：
[0088]
空间问题2电流：
[0089]
由(6)、(10)得空间问题2的电流i2与空间问题1的电流i1的关系
[0090]
i2＝khk
l
i1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)
[0091]
由电压、电流定义，计算空间问题2的输入功率p2与空间问题1的输 入功率p1的关系：
[0092][0093]
由电压、电流定义，计算空间问题2的输入阻抗z2与空间问题1的输 入阻抗z1的关系：
[0094][0095]
由电场、磁场定义，计算空间问题2的波阻抗z2与空间问题1的波阻 抗z1的关系：
[0096][0097]
将(19)代入(27)、(28)得到阻抗的比例关系：
[0098][0099]
空间问题2的特性阻抗z
02
和空间问题1的特性阻抗z
01
满足同样的关 系：
[0100][0101]
空间问题2的反射系数γ2与空间问题1的反射系数γ1满足：
[0102][0103]
考虑到两个系统的角频率关系，(29)可写为
[0104][0105]
(30)可写为
[0106]
γ2(ω2)＝γ1(ω1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(33)
[0107]
2.传播常数，波长，相速度
[0108]
空间问题2的传播常数k
c2
满足：
[0109][0110]
将(12)与(15)相乘可得
[0111][0112]
将(11)与(15)相乘可得
[0113][0114]
将(35)与(36)代入(34)可得空间问题2的传播常数k
c2
与空间问 题1的传播常数k
c1
的关系：
[0115][0116]
进一步可得
[0117]
kc2r2＝k
c1
r1ꢀꢀꢀ
(38)
[0118]
由波长定义结合(37)得空间问题2的波长λ2与空间问题1 的波长λ1关系：
[0119]
λ2＝k
l
λ1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(39)
[0120]
由相速度定义结合(37)和(18)得空间问题2的相速度 v
p2
与空间问题1的相速度v
p1
的关系：
[0121][0122]
3.能量密度，坡印廷矢量，天线增益
[0123]
空间问题2的电能密度w
e2
：
[0124][0125]
将(6)、(12)代入(41)得空间问题2的电能密度w
e2
与空间问题1的 电能密度w
e1
的
天线增益、方向性系数相等。
[0145]
对于介质空间内部的天线问题(称为空间问题1)，可以通过其相似问 题(空间问题2)的天线来表示空间问题1天线的特性参数，利用(10)、 (18)、(19)、(20)式来确定与空间问题1相似的空间问题2的空间介质 参数、电流分布、电磁场关系，由(18)、(30)、(32)、(33)、(48)、(49) 式用空间问题2的天线参数表示空间问题1的天线参数。
[0146]
对于介电常数相等ε1＝ε2、磁导率相等μ1＝μ2的两个相似问题，现有 技术已给出与(37)-(49)式相似的对应关系。本技术给出的关系适用范 围更广，包括了两问题的介电常数相等或不等、磁导率相等或不等情况，并 且本技术给出两个空间问题的特性阻抗关系(30)式、阻抗关系(32)式与 介质参数有关；反射系数关系(33)式,适用于介质不同情况，此时两个问 题的反射系数计算公式(31)中的特性阻抗取不同的值，满足(30)式，已 有文献的两问题特性阻抗相同，只适于两空间问题的介质相同。
[0147]
本技术首先给出两个电磁问题相似的条件：(10)、(18)、(19)、(20)式。然后给出两个相似问题的天线性能参数的映射关系：(5)、 (6)、(30)、(32)、(33)、(37)、(39)、(40)、(48)、(49)式。其中 (5)式说明两相似问题的空间坐标成比例，(6)式说明两相似问题 电磁场成比例关系，(30)式说明两相似问题的特性阻抗成比例，(32) 式说明两相似问题的阻抗成比例，(33)式说明两相似问题的反射系 数对应相等；(37)、(39)、(40)式说明两相似问题的传播常数、波 长、相速度成比例关系；(47)式说明两相似问题的天线辐射功率成 比例，(48)、(49)式说明两相似问题的天线增益、方向性系数相等。
[0148]
基于上述公式，本技术提出了介质空间中天线性能评估方法。对于 介质空间内部的天线问题(称为空间问题1)，可以通过其相似问题 (空间问题2)的天线来表示空间问题1天线的特性参数，利用(10)、 (18)、(19)、(20)式来确定与空间问题1相似的空间问题2的空间 介质参数、电流分布、电磁场关系，由(18)、(30)、(32)、(33)、 (48)、(49)式用空间问题2的天线参数表示空间问题1的天线参 数。对于介质空间内部天线性，可以不需要对介质空间内天线进行测 试，而是测试相似问题的天线，用相似问题的天线性能参数来表示介 质空间内部的天线性能参数。
[0149]
在介绍了本技术实施例的应用场景和设计思想之后，下面对本技术实 施例提供的技术方案进行说明。
[0150]
实施例一：
[0151]
本技术实施例提供一种介质空间中天线性能评估方法，首先确定与介 质内部天线问题(原问题)相似的天线问题(相似问题)，给出两问题相似 的条件、以及用相似问题的天线性能参数来表示介质空间内部的天线性能 参数的公式(映射关系)，这样就不需要对介质空间内天线进行测试，而是 测试相似问题的天线，用相似问题的天线性能参数来表示介质空间内部的 天线性能参数。
[0152]
本技术提供的介质内部天线与相似问题的相似条件、天线性能参 数的映射关系，适用于任何空间介质(包括介质有耗或无耗情况)， 介质空间中的天线可以是全金属天线，也可以是含有介质材料(衬底 材料、天线罩等)的天线。
[0153]
如图1所示，本技术实施例提供了一种介质空间中天线性能评估方 法，包括：
[0154]
步骤101：获取待测天线所在第一介质空间的电磁参数；
[0155]
若第一介质空间无介质极化损耗和磁化损耗，则获取的第一介质空间 的电磁参
数包括：介电常数ε1，ε1为实数，磁导率μ1，μ1为实数，电导 率σ1、空间坐标(x1,y1,z1)，角频率ω1，电流密度电场矢量和 磁场矢量
[0156]
若第一介质空间有介质极化损耗和磁化损耗，则获取的第一介质 空间的电磁参数包括：介电常数ε1＝ε1′‑
jε1″
，ε1′
为ε1的实部， ε1″
为ε1的虚部，ε1″
表征第一介质空间的电极化损耗；磁导率 μ1＝μ1′‑
jμ1″
，μ1′
为μ1的实部，μ1″
为μ1的虚部，μ1″ꢀ
表征第一介质空间的磁化损耗；电导率σ1、空间坐标(x1,y1,z1)，角 频率ω1，电流密度电场矢量和磁场矢量
[0157]
步骤102：根据第一介质空间的电磁参数，利用电磁相似条件，匹配 一个与第一介质空间具有电磁相似的第二介质空间以及相似天线；
[0158]
若第一介质空间的空间介质无极化损耗和磁化损耗，则第二介质 空间的空间介质也无极化损耗和磁化损耗，第二介质空间的电磁参数 包括：介电常数ε2，ε2为实数，磁导率μ2，μ2为实数，电导率σ2，空 间坐标(x2,y2,z2)，角频率ω2，电流密度电场强度矢量和磁场 强度矢量则第二介质空间和第一介质空间满足电磁相似条件，包 括：
[0159]
第一介质空间和第二介质空间的坐标单位矢量方向一致，空间尺寸具 有比例关系：
[0160]
x2＝k
l
x1，y2＝k
l
y1，z2＝k
l
z1[0161][0162][0163][0164][0165]
其中，k
l
、ke和kh均为比例系数。
[0166]
若第一介质空间的空间介质有极化损耗和磁化损耗，则第二介质 空间的空间介质也有极化损耗和磁化损耗，第二介质空间的电磁参数 包括：介电常数ε2＝ε2′‑
jε2″
，ε2′
为ε2的实部，ε2″
为ε2的虚部， ε2″
表征第二介质空间的电极化损耗；磁导率μ2＝μ2′‑
jμ2″
，μ2′ꢀ
为μ2的实部，μ2″
为μ2的虚部，μ2″
表征第二介质空间的磁化损 耗；电导率σ2，空间坐标(x2,y2,z2)，角频率ω2，电流密度电场 矢量和磁场矢量则第二介质空间和第一介质空间满足电磁相 似条件，包括：
[0167]
第一介质空间和第二介质空间的坐标单位矢量方向一致，空间尺 寸具有比例关系：
[0168]
x2＝k
l
x1，y2＝k
l
y1，z2＝k
l
z1[0169][0170][0171][0172][0173]
其中，k
l
、ke和ke均为比例系数。
[0174]
特别的，如果第一介质空间的空间介质为无极化损耗、无磁化损耗的电 介质，空间介质相对介电常数为εr,相对磁导率为μr＝1，电导率为σ,且第 一介质空间内的天线为全金属天线，即天线的结构中不含有介质材料，则第 二介质空间的天线与第一介质空间的天线相同，也就是放置在相对介电常 数为εr的无耗电介质空间中的全金属结构天线的性能参数，可以通过这个天 线在自由空间中的参数表示出来。
[0175]
特别的，如果第一介质空间的空间介质为无极化损耗、无磁化损耗的电 介质，空间介质相对介电常数为εr,相对磁导率为μr＝1，电导率为σ,且第 一介质空间内的天线结构中含有非金属材料(比如天线的衬底材料、天线罩 等)，第二介质空间内天线与第一介质空间内天线不同。第二介质空间内天 线衬底材料的介电常数为第一介质空间内天线的1/εr倍，第一介质空间内 天线的性能参数可以用第二介质空间内天线的性能参数来表示。也就是，嵌 入在无耗电介质空间中的天线，可以用自由空间中的相似天线表示，相似天 线的衬底材料的介电常数为第一介质空间中天线介电常数的1/εr倍，天线 在第一介质空间中的角频率及阻抗为自由空间中的相似天线的倍，第 一介质空间中天线的反射系数、方向图、增益与自由空间相似天线的参数对 应相等。
[0176]
步骤103：获取在第二介质空间中测试得到的相似天线的天线参 数；
[0177]
相似天线的天线参数包括：波阻抗z2(ω2)、特性阻抗z
02
(ω2)、 反射系数γ2(ω2)、天线增益g2(ω2)和天线方向性系数d2(ω2)。
[0178]
步骤104：利用电磁相似问题的对应关系，基于相似天线的天线参 数，得到第一介质空间中待测天线的天线参数；
[0179]
利用下述利用电磁相似问题的对应关系：
[0180][0181][0182]
γ1(ω1)＝γ2(ω2)
[0183]
g1(ω1)＝g2(ω2)
[0184]
d1(ω1)＝d2(ω2)。
[0185]
得到第一介质空间中待测天线的天线参数：波阻抗z1(ω1)、特性 阻抗z
01
(ω1)、反射系数γ1(ω1)、天线增益g1(ω1)和天线方向性系数 d1(ω1)。
[0186]
下面通过四个实例对本技术实施例方法的技术效果进行说明。
[0187]
实例1，无限大无耗电介质空间全金属天线例子-对称振子天线的验证：
[0188]
对称振子天线的振子单臂长度为1.5m，双臂长为3m。
[0189]
问题1：对称振子天线在相对介电常数εr＝400的无限大无耗电介质空 间。
[0190]
问题2：对称振子天线在自由空间。
[0191]
两问题空间尺寸相同、场比例系数相同、电流分布相同，频率关系满足 (18)式，则问题1与问题2相似。两问题的天线性能参数关系满足(30)、 (32)、(33)、(48)、(49)式，其中频率关系(18)式、阻抗关系(32) 式、特性阻抗关系(30)式、反射系数关系(33)式可以具体表示为：
[0192][0193][0194][0195]
γ1(ω1)＝γ2(ω2)
ꢀꢀꢀꢀ
(53)
[0196]
注意(53)式中，计算反射系数时两个问题的特性阻抗不同，自由空间 的特性阻抗取50ω，介质空间特性阻抗为50/20＝2.5ω，即：
[0197][0198][0199]
采用feko软件进行仿真验证，步骤如下：
[0200]
(1)采用feko软件建模仿真问题2，得到自由空间天线的阻抗、反 射系数、增益、方向性系数等性能参数；
[0201]
(2)通过公式(50)～(55)由问题2(自由空间)的天线频率、特性 阻抗、阻抗、反射系数、增益、方向性系数计算问题1(介质空间)的天线 相应参数。
[0202]
(3)采用feko建模仿真问题1，得到介质空间中天线性能参数，与 步骤(2)中自由空间推算的参数进行比较。
[0203]
图2与图3给出两个问题的对称振子天线的阻抗曲线，图4与图5给 出两个问题的反射系数曲线，可见由问题2(自由空间)天线阻抗通过(50) ～(55)式计算的问题1(介质空间)的天线阻抗、反射系数与feko仿真 天线在介质空间计算的完全一致，验证了(50)～(55)式的正确性。
[0204]
表1给出问题1与问题2的前六个谐振频率、最大增益、最大方向性 系数，由表1，问题1与问题2的谐振频率满足(50)式，增益、方向性 系数满足(48)、(49)式。说明介质空间的对称振子天线的性能参数可以 通过自由空间的天线性能参数来表示。
[0205]
表1：问题1与问题2的前六个谐振频率、最大增益、最大方向性系数
[0206] 第一谐振第二谐振第三谐振第四谐振第五谐振第六谐振问题1谐振频率(mhz)47.2146.2246.2349.1453.9564问题2谐振频率(mhz)2.357.3312.317.422.527.8问题1最大增益1.541.92.372.693.183.22问题2最大增益1.581.922.392.773.183.23问题1最大方向性系数1.642.162.853.634.324.62问题2最大方向性系数1.642.212.893.44.254.63
[0207]
实例2，无限大无耗电介质空间全金属天线-偏馈反射面天线的验证：
[0208]
偏馈反射面天线的工作频率f0＝6.25ghz，波长λ0＝48mm，喇叭天线的 底部半径为a＝0.51λ0＝72mm，顶部半径b0＝0.65λ0＝31.2mm，b＝λ0＝48mm，喇 叭天线高度h＝3.05λ0＝146.4mm，反射面天线焦距f＝10，反射面在z轴的投 影长度d＝457mm，喇叭轴线与z轴夹角48.5
°
。
[0209]
问题1：偏馈反射面天线在相对介电常数为εr＝100的无限大无耗电介 质空间。
[0210]
问题2：偏馈反射面天线在自由空间。
[0211]
两问题空间尺寸相同、场比例系数相同、电流分布相同，频率关系满足(18)式，则问题1与问题2相似。两问题的天线性能参数关系满足(30)、 (32)、(33)、(48)、(49)式，其中频率关系(18)式、阻抗关系(32)式、 特性阻抗关系(30)式、反射系数关系(33)式可以具体表示为：
[0212][0213][0214][0215]
γ1(ω1)＝γ2(ω2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(59)
[0216]
注意(59)式中，计算反射系数时两个问题的特性阻抗不同，自由空间 的特性阻抗取50ω，介质空间特性阻抗为50/10＝5ω，即：
[0217][0218]
[0219]
图6与图7给出偏馈反射面天线的反射系数曲线，可见由问题2(自由 空间)通过(56)～(61)式推算的问题1(介质空间)天线的反射系数与 feko仿真问题1(介质空间)的仿真结果一致，验证了(56)～(61)式的 正确性。
[0220]
通过问题1(介质空间)偏馈反射面天线的增益方向图与问题2(自由 空间)偏馈反射面的方向图，可以看出频率关系满足(56)式，可见两问题 天线增益方向图一致。
[0221]
说明介质空间的偏馈反射面天线的性能参数可以通过自由空间测试的 天线性能参数来表示。
[0222]
通过上述对称振子天线、偏馈反射面天线的例子可以说明介质空间的全 金属天线的性能参数可以通过自由空间测试的天线性能来表示。在实际工 程中，对于放置在无耗介质空间中的全金属天线，可以测试天线在自由空间 的性能参数，然后利用公式(18)、(30)、(32)、(33)、(48)、(49)由自由 空间性能参数计算出天线在介质空间的性能参数。
[0223]
实例3，无限大无耗电介质空间，矩形贴片微带天线的验证，天线结构 中含介质衬底材料：
[0224]
微带贴片天线是将铜敷在介质衬底表面，天线材料包括金属铜还有介 质衬底材料。矩形金属贴片尺寸31.2mm
×
46.6mm，衬底材料相对介电2.2， 衬底厚度2.87mm，地面尺寸50mm
×
70mm，贴片中心在坐标原点，馈电位置 的x坐标为-8.9mm。
[0225]
问题1，介质空间ε
rspace1
＝100，微带天线衬底材料的相对介电常数 ε
rsub1
＝2.2；
[0226]
问题2：自由空间ε
rspace2
＝1，微带天线衬底材料的相对介电常数 ε
rsub2
＝0.022。
[0227]
两问题空间尺寸相同、场比例系数相同、电流分布相同，频率关系满足 (18)式，则问题1与问题2相似。两问题的天线性能参数关系满足(30)、 (32)、(33)、(48)、(49)式，其中频率关系(18)式、阻抗关系(32) 式、特性阻抗关系(30)式、反射系数关系(33)式可以具体表示为：
[0228][0229][0230][0231]
γ1(ω1)＝γ2(ω2)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(65)
[0232]
注意(65)式中，计算反射系数时两个问题的特性阻抗不同，问题1介 质空间的特性阻抗取50ω，问题2自由空间特性阻抗为50
×
10＝500ω，即：
[0233][0234][0235]
图8与图9给出矩形贴片微带天线的反射系数曲线，可见由自由空间 阻抗通过(62)～(67)式计算的反射系数与feko仿真天线在介质空间计 算的完全一致，验证了(62)～(67)式的正确性。
[0236]
通过矩形贴片微带天线在εr＝100介质空间的增益方向图，与天线在自 由空间的
方向图，可以看出频率关系满足(62)式，可见天线在εr＝100介质 空间的频率为ω1的增益方向图与自由空间频率为10ω1的增益方向图完全 一致。
[0237]
以上说明无限大、无耗介质空间中的天线性能参数可以通过自由空间 的相似天线的性能参数表示。相似天线的衬底材料介电常数为介质空间中 天线介电常数的倍，介质空间中天线的角频率及阻抗为自由空间中的相 似天线的倍，介质空间中天线的反射系数、方向图、增益等性能参数可 以通过测试自由空间相似天线的参数对应表示。
[0238]
实施实例4，无限大有导体损耗的介质空间，含有天线罩的对称振子天 线的验证：
[0239]
两个电磁问题，如果空间媒质非磁性(即μ1＝μ2＝μ0)、有导体损耗(两 空间媒质的电导率分别为σ1、σ2)，空间尺寸相同(即k
l
＝1)，两问题相 似需要满足频率关系(18)式、电导率关系(20)式，可以写为
[0240][0241]
对于有耗介质空间中的天线问题，其相似问题可以有多个，以下给出其 中一种相似问题：
[0242]
原问题：无界空间填充相对介电常数为ε
rspace1
、电导率为σ
rspace1
的有 耗媒质。
[0243]
相似问题：无界空间填充相对介电常数为1、电导率为的有耗 媒质，空间中其它媒质(如天线的衬底材料)的介电常数变为原问题的倍，电导率为原问题的倍。相似问题的频率为原问题的倍， 阻抗为原问题的倍。在此条件下，相似问题的天线性能可以反映出 原问题的天线性能。
[0244]
相似问题的相对介电常数值可以根据实际测试情况取任意正数，此处取 值为1。实际工程中可以根据构建介质空间的难易来选择合适的相似问题的 空间介质材料。
[0245]
以放置于海水中的对称振子天线为例来验证有耗介质空间天线问题的 相似问题。
[0246]
对称振子天线总长度为3m，天线外面覆盖厚度为0.05m的天线罩。
[0247]
问题1：天线放置于无界海水空间，海水的相对介电常数为ε
rspace1
＝81、 电导率σ
rspace1
＝4，天线罩的相对介电常数ε
rcover1
＝3、电导率σ
rcover1
＝0。
[0248]
问题2：无界空间填充媒质的相对介电常数为ε
rspace2
＝1、电导率为 σ
rspace2
＝4/9＝0.4444，天线罩的相对介电常数ε
rcover2
＝3/81＝0.037、电导率 σ
rcover2
＝0/9＝0。
[0249]
两问题空间尺寸相同、场比例系数相同、电流分布相同，频率关系满足 (18)式，则问题1与问题2相似。两问题的天线性能参数关系满足(30)、(32)、(33)、(48)、(49)式，其中频率关系(18)式、阻抗关系(32) 式、特性阻抗关系(30)式、反射系数关系(33)式可以具体表示为：
[0250][0251][0252][0253]
γ1(ω1)＝γ2(ω2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(72)
[0254]
注意(72)式中，计算反射系数时两个问题的特性阻抗不同，问题1介 质空间的特性阻抗取50ω，问题2自由空间特性阻抗为50
×
9＝450ω，即：
[0255][0256][0257]
图10与图11给出有耗介质空间对称振子天线的反射系数曲线，可见 由问题2通过(69)～(74)式计算的反射系数与feko仿真天线问题1计 算的完全一致，验证了(69)～(74)式的正确性。
[0258]
这说明嵌入在无限大有耗电介质空间中(空间介质的相对介电常数为εr、 相对磁导率μr为1、电导率σ、无极化损耗、无磁化损耗)的天线问题(问 题1)，其相似问题(问题2)的空间介质相对介电常数为1、电导率为天线内部材料的介电常数为问题1天线媒质的倍、电导率为问题1天线 媒质的倍，问题2的角频率为问题1的倍。问题1天线的反射系数、 方向图、增益等参数性能参数与问题2的参数对应相等，问题1天线性能 参数可以通过测试问题2天线性能参数对应表示。
[0259]
实施例二：
[0260]
参阅图12所示，本技术实施例提供了一种介质空间中天线性能评估装 置200，包括：
[0261]
电磁参数获取单元201，用于获取待测天线所在第一介质空间的电磁 参数；
[0262]
电磁问题转换单元202，用于根据第一介质空间的电磁参数，利用电磁 相似条件，匹配一个与第一介质空间具有电磁相似的第二介质空间以及 相似天线；
[0263]
相似天线参数获取单元203，用于获取在第二介质空间中测试得 到的相似天线的天线参数；
[0264]
待测天线参数确定单元204，用于利用电磁相似问题的对应关系， 基于相似天线的天线参数，得到第一介质空间中待测天线的天线参数。
[0265]
实施例三：
[0266]
基于上述实施例，本技术实施例还提供了一种电子设备，参阅图13所 示，本技术实施例提供的电子设备300至少包括：处理器301、存储器302 和存储在存储器302上并可在处理器301上运行的计算机程序，处理器301 执行计算机程序时实现本技术实施例提供的
介质空间中天线性能评估方 法。
[0267]
本技术实施例提供的电子设备300还可以包括连接不同组件(包括处 理器301和存储器302)的总线303。其中，总线303表示几类总线结构中 的一种或多种，包括存储器总线、外围总线、局域总线等。
[0268]
存储器302可以包括易失性存储器形式的可读介质，例如随机存储器 (random access memory，ram)3021和/或高速缓存存储器3022，还可以 进一步包括只读存储器(read only memory，rom)3023。
[0269]
存储器302还可以包括具有一组(至少一个)程序模块3025的程序工 具3024，程序模块3025包括但不限于：操作子系统、一个或者多个应用程 序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包 括网络环境的实现。
[0270]
电子设备300也可以与一个或多个外部设备304(例如键盘、遥控器等) 通信，还可以与一个或者多个使得用户能与电子设备300交互的设备通信 (例如手机、电脑等)，和/或，与使得电子设备300与一个或多个其它电子 设备300进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等)通信。这种通 信可以通过输入/输出(input/output，i/o)接口303进行。并且，电子 设备300还可以通过网络适配器306与一个或者多个网络(例如局域网 (local area network，lan)，广域网(wide area network，wan)和/或 公共网络，例如因特网)通信。如图13所示，网络适配器306通过总线303 与电子设备300的其它模块通信。应当理解，尽管图13中未示出，可以结 合电子设备300使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设 备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、磁盘阵列(redundant arraysof independent disks，raid)子系统、磁带驱动器以及数据备份存储子系 统等。
[0271]
实施例四：
[0272]
本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储 介质存储有计算机指令，该计算机指令被处理器执行时实现本技术实施例 提供的介质空间中天线性能评估方法。
[0273]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修 改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。