一種計算復雜環(huán)境下天線互耦的新方法1.doc

精品論文推薦一種計算復雜環(huán)境下天線互耦的新方法1陳政，謝擁軍，李江，張珺西安電子科技大學天線與微波技術國家重點實驗室，陜西西安（710071）摘要：復雜環(huán)境下天線間耦合度計算是系統(tǒng)級電磁兼容研究的重要課題，根據(jù)惠更斯原理 和等效原理推導出了一種解決復雜平臺天線間耦合度問題的新方法逐級等效法。為了驗證 方法的正確性，舉例計算了一平臺上天線間的耦合度，與矩量法（mom）計算的統(tǒng)一模型 結果基本一致，但用時大大減少。最后以某大型戰(zhàn)斗機上兩天線間的耦合度為例，用逐級等 效法解決了這一其他算法在現(xiàn)有計算機配置下很難計算的問題。 關鍵詞：電磁兼容；逐級等效法；耦合；復雜平臺1.引言隨著當今高科技的發(fā)展，對通信的需求日益增大，要求也越來越高，這使得電子系統(tǒng)工 作的電磁環(huán)境日益復雜，電子系統(tǒng)面臨著電臺、雷電和靜電放電等自然界的干擾，也受到來 自其它系統(tǒng)的干擾。電子系統(tǒng)間電磁干擾重要傳輸途徑之一是天線間的耦合，即一副天線發(fā) 射的電磁波被另一副天線接收，使得接收天線正常工作受到干擾，有時這種相互干擾會造成 很嚴重的后果。這種耦合的強弱程度常用耦合度來定量表征，其定義為一個天線發(fā)射功率與 另一個天線接收功率之比。針對本文討論的復雜平臺天線耦合度國內(nèi)外也已經(jīng)做了大量的研究。一般數(shù)值算法有矩 量法34、有限元法、有限時域差分法 56，高頻算法如一致性幾何繞射理論 7。對于 頻率較低的短波天線，平臺與波長相當,使用矩量法34計算較為合適。但是如果平臺外型 復雜、電尺寸較大，要消耗大量的計算機內(nèi)存，在一般計算機上難以計算。一致性幾何繞射 理論 7 作為一種高頻方法，它在電尺寸較大的問題時計算速度較快，但是utd計算精度 相對較低。本文在惠更斯原理和等效原理的基礎上推導出一種解決復雜平臺天線間耦合度的新方 法逐級等效法；從計算結果可以看出，與矩量法計算的統(tǒng)一模型結果基本一致，但用時 大大減少；最后用逐級等效法計算了某大型戰(zhàn)斗機上兩機載天線間的耦合度，結果對于機載 天線布局有重要意義。2.逐級等效法逐級等效法是基于惠更斯原理和等效原理89.由于電磁波滿足矢量波方程-5-并矢格林函數(shù)則滿足下列方程 e ( r ) k 2 e ( r ) = 0（2） g( r, r) k 2g( r, r) = i (r r)（3）ee用 ge ( r, r) 后點乘式（2），用 e ( r ) 前點乘式（3），相減后再體積 v 上積分，我們得到e(r) = dv e(r) ge (r, r) e(r ) ge (r, r)v最后可以得到（5）式（4）1本課題得到教育部新世紀優(yōu)秀人才資助項目（批準號：nect-04-0950）的資助。e(r)i dsn h (r) ge (r, r )方程（5）表明，如果 s 上的 n e(r) 或 n h (r) 給定，則 e (r) 可以被確定。（5）依照上式，封閉面內(nèi)的源的輻射簡化為封閉面的輻射。求解封閉面的輻射，須先求得封 閉面上的場分布，然后按惠更斯原理，把封閉面分割為許多許多的小面元，根據(jù)面元上的場 求出每個面元的輻射，并在整個封閉面上進行積分，最后即可求得整個封閉面的輻射。當由封閉面求解輻射場時，面元上的磁場與電場可分別用等效電流元與等效磁流元來代 替，封閉面產(chǎn)生的輻射場就是封閉面上這些等效電流元與等效磁流元所產(chǎn)生的。這就是等效 原理。逐級等效法就是基于惠更斯原理和等效原理，把復雜平臺的電磁場計算問題（如圖 1）， 分成三部分（源區(qū)、過渡區(qū)、目標區(qū)）如圖 2，然后對這三部分逐級等效計算（根據(jù)平臺的 復雜程度和電尺寸大小，可以去除過渡區(qū)，只留源區(qū)和目標區(qū)；也可以把過渡區(qū)分成幾部分， 逐級等效計算）。圖 1 原始問題圖 2 分區(qū)后問題圖中 v 1 為源區(qū)，v 2 為過渡區(qū)，v 3 為目標區(qū)；s、s為兩個封閉面，n 是封閉面 s 的外 法線單位矢量。gg根據(jù)等效原理，j s 和 j ms 是 v 1 區(qū)的等效源，而且ggj s = n h gg （6）j ms = n egggg式中 e 、h 是 s 面上原來的場。由上式確定的 j s 和 j ms 就是我們所要求的計算封閉面外電磁場的等效場電源。等效后如圖 3 所示。圖 3 等效第一步圖 4 等效第二步gg得到等效的表面電流 j s 和表面磁流 j ms ，利用數(shù)值計算方法就可以對過渡區(qū) v 2 內(nèi)的數(shù)值模型進行數(shù)值計算，求得過渡區(qū) v 2 中電磁場，從而得到封閉面 s上的電場和磁場；和上 面的等效過程一樣，再應用等效原理，對過渡區(qū) v 2 內(nèi)的電磁場進行等效，如圖 4。有了過gg渡區(qū) v 2 的等效表面電流 j s 和表面磁流 j ms 和目標區(qū) v 3 的數(shù)值模型，用數(shù)值計算方法可以求得目標區(qū) v 3 的電磁場。最后根據(jù)目標區(qū) v 3 的電磁場，求出接收天線的接收功率，就可 以得到耦合度。這樣把復雜的數(shù)值計算逐級等效、逐級計算的方法就是逐級等效法。3.實例計算首先為了驗證方法的正確性，使用逐級等效法結合矩量法計算一個簡單平臺上的兩天線 間的耦合度金屬圓柱體上兩個對稱陣子天線間的耦合度，其中金屬圓柱長3m，半徑0.75m，兩天線相距2m，約5個波長的距離，發(fā)射天線頻率為800mhz，接收天線頻率為600mhz。先按照逐級等效法把模型分成3個區(qū)域，再逐級等效計算，最后計算結果和用時與 矩量法（mom）作了對比。如圖6、表1所示。圖 5 計算數(shù)值模型圖 6 計算結果 表 1 用時對比計算方法ceamom源區(qū)過渡區(qū)目標區(qū)未知數(shù)量54565321561115730占用內(nèi)存(gb)0.240.220.251.9用時(分鐘)484253371總用時133371對于復雜平臺天線間耦合度，以某大型戰(zhàn)斗機為例，如圖7，應用逐級等效法計算了機載兩天線間的耦合度。戰(zhàn)斗機機身長20m，翼展15m，機高6m。發(fā)射天線中心頻率為200mhz， 安裝在機背上；接收天線中心頻率350mhz,安裝在左尾翼上部。如果使用矩量法對統(tǒng)一模型 進行計算，那么整個飛機剖分后的剖分單元數(shù)為36766，最少需要10.8g內(nèi)存，這在2g內(nèi)存 的計算機上是無法計算的。使用逐級等效法以后，三部分模型中最大的剖分單元數(shù)為14124， 需要計算機內(nèi)存為1.56g，在2g內(nèi)存的計算機上可以使用矩量法計算模型。結果如圖8所示。圖 7 戰(zhàn)斗機數(shù)值模型圖 8 計算結果4.結束語基于惠更斯原理和等效原理推導出了一種解決復雜環(huán)境下電大尺寸問題的新方法 逐級等效法，通過計算實例可以得出一下結論：在天線環(huán)境復雜、電尺寸較大時，一般算法 在現(xiàn)有計算機配置下無法計算，而應用逐級等效法可以順利解決這個問題。逐級等效法計算 結果和矩量法基本一致，但所用時間大大減少。最后使用逐級等效法結合矩量法解決了某大 型戰(zhàn)斗機機載天線間耦合度計算問題，計算結果對機載天線布局有重要意義。參考文獻1丁鷺飛,耿富錄.雷達原理m.西安,西安電子科技大學出版社, 2002. 6:3-42yuanqing liu , jiansheng yuan. a finite element domain decomposition combined with algebraic multigridmethod for large-scale electromagnetic field computationj. ieee trans. magn,2006, vol. 42(2):655-658. 3 harrington r f. field computation by moment methodsj. indiana:macmillan, 1968: 73-96.4ali dagdeviren ,osman cerezci, fatih ustuner, et al.coupling on complex platforms:a comparison betweenbetween mom and mom/utd hybrid methodj. mathematical methods in electromagnetictheory,2006,june:26-29.5 j.byun,et al. fdtd analysis of mutual coupling between microstrip patch antennas on curved surfacec.ieee international 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consistent with each other. a didactic example is included to illustrate the approach, the cea approach combined method of moments (mom) is employed to solve the degree of coupling between two antennas that on a certain large-scale fighter plane which can hardly come true with other algorithms at currently computer configuration. keywords: emc; cascade equivalence approach (cea); mutual coupling; complex platform作者簡介：陳政（1981-），男