一种基于极化矢量合成的阵列天线辐射近场预测方法与流程

本发明涉及阵列天线辐射场预测技术，尤其涉及一种基于极化矢量合成的阵列天线辐射近场预测方法。

背景技术：

1、阵列天线是由许多天线单元组成，相对于传统的单天线，具有高方向性的优势；阵列天线通过控制天线阵元的馈电相位使辐射波束偏移，通过电控实现波束扫描，具有远远优越于传统机械式扫描的阵列天线的快速波束扫描能力。

2、目前关于阵列天线主要在于远场辐射特性的应用。但随着应用场景的增多，阵列天线的近场特性也逐渐成为一个研究热点。对于阵列天线的近场分析，往往通过全波仿真的方法，比如用hfss、feko、cst等全波仿真软件，其基于矩量法、有限差分法等数值算法，能够提供较好的计算精度。但由于现代阵列天线多具有电大尺寸、空间多尺度、材料多样性的特点，全波分析将消耗巨大计算资源以及计算时间。

3、在全波仿真受限的情况下，目前常用基于叠加原理的近场分析公式,一方面，这是一个标量场强合成公式，它无法给出极化信息,尤其是纵向极化信息；另一方面，它也没有考虑单元间耦合的影响。不同于远场，阵列天线近场在不同阵元间存在非线性的空间位置因子，每个阵元到观测点的波束不能做平行处理；近场天线在设计时需要精确考虑每一点的非线性空间位置因子。近场信息的计算无法采用固定的相位中心，在辐射场叠加过程中，相位中心随着天线单元而不断转移。同时，近场波束赋形维度也会从远场的(θ，φ)变为(x,y,z)，极化变为三维矢量极化(ex,ey,ez)。近场空间存在着明显的纵向极化。常规的基于叠加原理的标量场合成公式显然适用性不足，尤其是在涉及近场焦点扫描、极化控制的场景下。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于极化矢量合成的阵列天线辐射近场预测方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于极化矢量合成的阵列天线辐射近场预测方法，包括以下步骤：

3、1)对阵列天线的天线单元，构建单元特性表征矩阵；具体如下：

4、对天线单元n，构建一个3*5的矩阵an，其结构为

5、

6、其中，是空间旋转矩阵，用于表征单元在单元局部坐标系下的朝向信息；

7、是天线单元的位置坐标，根据几何布阵方式计算得到；

8、amp是阵元的激励幅度，pha是阵元的相位；elt是方向图的类型索引；

9、2)根据单元特性表征矩阵，构建阵列天线的阵列配置描述矩阵；

10、对于一个有k个单元组成的阵列天线，构建一个3*5*k的矩阵b；

11、3)设置阵列频率、辐射功率、辐射效率参数；

12、4)将源极化矢量从单元局部坐标系投影到阵列全局坐标系；

13、对于线极化天线，单元n在口径面上电极化矢量为e，将其设为沿x轴的单位矢量，则其在单元局部坐标系下坐标为ue＝(1,0,0)，局部坐标系原点为uo＝(0；0；0)；

14、则单元n源极化矢量从单元局部坐标系投影到阵列全局坐标系

15、

16、uog为阵列全局坐标系下的原点，ueg为阵列全局坐标系下沿x轴的单位矢量；

17、5)根据场观察点位置，计算源极化矢量在场点的投影；

18、5.1)构建极化旋转矩阵；

19、设全局坐标系下，场观察点的球坐标位置为则极化旋转矩阵为：

20、

21、其中，prot为极化旋转矩阵，ptra为平移矩阵，zr表示绕z轴旋转，yr表示绕y轴旋转；

22、

23、5.2)根据场观察点位置，利用极化旋转矩阵获得源极化矢量在场点投影；

24、

25、其中，inv为矩阵求逆运算，uf为投影后的矢量，uof为投影后的源点坐标，uef为投影后的端点坐标；

26、6)对源极化矢量在场点的投影进行分解，计算水平极化系数和垂直极化系数；

27、对于线极化天线单元，由于假设电场极化矢量沿x轴，则水平极化分量对应矢量uf的y分量，垂直极化分量对应矢量uf的z分量；

28、7)根据投影分解结果，计算场点处的水平极化场、垂直极化场、总场；过程如下：

29、7.1)计算场点在单元天线n处局部坐标系的投影为

30、

31、其中，为场点在单元天线n处局部坐标系的投影的笛卡尔坐标；

32、将笛卡尔坐标转换为球坐标其中，

33、

34、7.2)根据单元方向图数据，确定对应的功率方向图增益值g，根据功率方向图增益值计算场点处单元n的方向图加权因子，表示为：

35、eleamp＝10^(g/20)

36、eleamp即为单元n的方向图加权因子；

37、7.3)天线单元n在场点产生的垂直、水平极化场分别为

38、

39、其中，evpn和ehpn为垂直极化场和水平极化场；amp为单元的激励幅度，eleamp为方向图加权因子；|vp|和|hp|分别为垂直、水平极化系数的绝对值；phavpt和phahpt为垂直场、水平场的相位，如下式表示：

40、

41、其中，k是波数，k*rloc是空间路径传播带来的相位，pha为单元激励相位；phavp和phahp为表征垂直极化、水平极化正负方向的修正相位；表示如下：

42、

43、上述为单元n产生的场；

44、7.4)对于一个k个阵元的阵列天线，极化场为

45、

46、总场为：

47、其中，evp为阵列天线的垂直极化场，ehp为阵列天线的水平极化场。

48、按上述方案，elt方向图类型为孤立方向图。

49、按上述方案，所述步骤4)中，对于线极化天线，单元n在口径面上电极化矢量为e，将其设为沿x轴的单位矢量，则其在单元局部坐标系下坐标为ue＝(1,0,0)，局部坐标系原点为uo＝(0；0；0)；

50、则单元n源极化矢量从单元局部坐标系投影到阵列全局坐标系

51、

52、uog为局部坐标系原点经投影变换后在全局坐标系下的坐标，ueg为源单位矢量经投影变换后在全局坐标下的坐标；

53、按上述方案，所述步骤5)中，具体如下：

54、5.1)构建极化旋转矩阵；

55、设全局坐标系下，场观察点的球坐标位置为则极化旋转矩阵为：

56、

57、其中，prot为极化旋转矩阵，ptra为平移矩阵，zr表示绕z轴旋转，yr表示绕y轴旋转；

58、

59、

60、5.2)根据场观察点位置，利用极化旋转矩阵获得源极化矢量在场点投影；

61、

62、其中，inv为矩阵求逆运算，uf为投影后的矢量，uof为投影后的源点坐标，uef为投影后的端点坐标。

63、按上述方案，elt方向图类型为孤立方向图。

64、按上述方案，所述步骤7.3)中，对于天线单元n按下式进行互耦效应补偿修正；

65、

66、其中，snm为阵列s参数模型，可以通过全波仿真软件仿真得到或者通过实际测试得到,m,n为单元序号。

67、本发明产生的有益效果是：

68、1、本发明通过采用基于极化矢量合成的辐射场解析计算模型，相比全波方法，计算效率更高；

69、2、本发明通过构建极化旋转矩阵，可有效计算源极化矢量在场点产生的极化场，相比于常用的标量场合成公式，充分考虑了各极化分量对近场对贡献，不仅能够得到近场总辐射场信息、还能得到各极化场、极化场相位，轴比等有用信息。

70、3、本发明通过用阵列s参数矩阵对激励进行修正，在保证计算速度的同时，所计算的辐射场还包含一定的互耦效应。