一種計(jì)算復(fù)雜環(huán)境下天線互耦的新方法1.doc

精品論文推薦一種計(jì)算復(fù)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(xué)天線與微波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安（710071）摘要：復(fù)雜環(huán)境下天線間耦合度計(jì)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(dǎo)出了一種解決復(fù)雜平臺(tái)天線間耦合度問題的新方法逐級等效法。為了驗(yàn)證 方法的正確性，舉例計(jì)算了一平臺(tái)上天線間的耦合度，與矩量法（mom）計(jì)算的統(tǒng)一模型 結(jié)果基本一致，但用時(shí)大大減少。最后以某大型戰(zhàn)斗機(jī)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(jì)算機(jī)配置下很難計(jì)算的問題。 關(guān)鍵詞：電磁兼容；逐級等效法；耦合；復(fù)雜平臺(tái)1.引言隨著當(dāng)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(fù)雜，電子系統(tǒng)面臨著電臺(tái)、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(shí)這種相互干擾會(huì)造成 很嚴(yán)重的后果。這種耦合的強(qiáng)弱程度常用耦合度來定量表征，其定義為一個(gè)天線發(fā)射功率與 另一個(gè)天線接收功率之比。針對本文討論的復(fù)雜平臺(tái)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(shí)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(tái)與波長相當(dāng),使用矩量法34計(jì)算較為合適。但是如果平臺(tái)外型 復(fù)雜、電尺寸較大，要消耗大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，在一般計(jì)算機(jī)上難以計(jì)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(shí)計(jì)算速度較快，但是utd計(jì)算精度 相對較低。本文在惠更斯原理和等效原理的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出一種解決復(fù)雜平臺(tái)天線間耦合度的新方 法逐級等效法；從計(jì)算結(jié)果可以看出，與矩量法計(jì)算的統(tǒng)一模型結(jié)果基本一致，但用時(shí) 大大減少；最后用逐級等效法計(jì)算了某大型戰(zhàn)斗機(jī)上兩機(jī)載天線間的耦合度，結(jié)果對于機(jī)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(diǎn)乘式（2），用 e ( r ) 前點(diǎn)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(jì)優(yōu)秀人才資助項(xiàng)目（批準(zhǔn)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(gè)面元的輻射，并在整個(gè)封閉面上進(jìn)行積分，最后即可求得整個(gè)封閉面的輻射。當(dāng)由封閉面求解輻射場時(shí)，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(fù)雜平臺(tái)的電磁場計(jì)算問題（如圖 1）， 分成三部分（源區(qū)、過渡區(qū)、目標(biāo)區(qū)）如圖 2，然后對這三部分逐級等效計(jì)算（根據(jù)平臺(tái)的 復(fù)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(biāo)區(qū)；也可以把過渡區(qū)分成幾部分， 逐級等效計(jì)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(biāo)區(qū)；s、s為兩個(gè)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(jì)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(jì)算方法就可以對過渡區(qū) v 2 內(nèi)的數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(yīng)用等效原理，對過渡區(qū) v 2 內(nèi)的電磁場進(jìn)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(biāo)區(qū) v 3 的數(shù)值模型，用數(shù)值計(jì)算方法可以求得目標(biāo)區(qū) v 3 的電磁場。最后根據(jù)目標(biāo)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(fù)雜的數(shù)值計(jì)算逐級等效、逐級計(jì)算的方法就是逐級等效法。3.實(shí)例計(jì)算首先為了驗(yàn)證方法的正確性，使用逐級等效法結(jié)合矩量法計(jì)算一個(gè)簡單平臺(tái)上的兩天線 間的耦合度金屬圓柱體上兩個(gè)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(gè)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(gè)區(qū)域，再逐級等效計(jì)算，最后計(jì)算結(jié)果和用時(shí)與 矩量法（mom）作了對比。如圖6、表1所示。圖 5 計(jì)算數(shù)值模型圖 6 計(jì)算結(jié)果 表 1 用時(shí)對比計(jì)算方法ceamom源區(qū)過渡區(qū)目標(biāo)區(qū)未知數(shù)量54565321561115730占用內(nèi)存(gb)0.240.220.251.9用時(shí)(分鐘)484253371總用時(shí)133371對于復(fù)雜平臺(tái)天線間耦合度，以某大型戰(zhàn)斗機(jī)為例，如圖7，應(yīng)用逐級等效法計(jì)算了機(jī)載兩天線間的耦合度。戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身長20m，翼展15m，機(jī)高6m。發(fā)射天線中心頻率為200mhz， 安裝在機(jī)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(jìn)行計(jì)算，那么整個(gè)飛機(jī)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(jì)算機(jī)上是無法計(jì)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(jì)算機(jī)內(nèi)存為1.56g，在2g內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上可以使用矩量法計(jì)算模型。結(jié)果如圖8所示。圖 7 戰(zhàn)斗機(jī)數(shù)值模型圖 8 計(jì)算結(jié)果4.結(jié)束語基于惠更斯原理和等效原理推導(dǎo)出了一種解決復(fù)雜環(huán)境下電大尺寸問題的新方法 逐級等效法，通過計(jì)算實(shí)例可以得出一下結(jié)論：在天線環(huán)境復(fù)雜、電尺寸較大時(shí)，一般算法 在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)配置下無法計(jì)算，而應(yīng)用逐級等效法可以順利解決這個(gè)問題。逐級等效法計(jì)算 結(jié)果和矩量法基本一致，但所用時(shí)間大大減少。最后使用逐級等效法結(jié)合矩量法解決了某大 型戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)載天線間耦合度計(jì)算問題，計(jì)算結(jié)果對機(jī)載天線布局有重要意義。參考文獻(xiàn)1丁鷺飛,耿富錄.雷達(dá)原理m.西安,西安電子科技大學(xué)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 symposium,1999,2:886-889.6張玉，朱培蕓，梁昌洪. fdtd結(jié)合變分法計(jì)算線天線間耦合度j. 電子與信息學(xué)報(bào).2006年2月，第28卷（第2期）：372-375.7 pathak p h, 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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