[发明专利]一种基于HFSS单元法的大型有限平面阵列分析方法

说明书

本发明公开了一种基于HFSS单元法的大型有限平面阵列分析方法，包括以下步骤：HFSS单元法分析：利用HFSS单元法建立无限阵列模型，并对主从边界表面间相位差采样，仿真得到一个完整周期结构内各采样点的无限阵有源反射系数；耦合分析：对不同采样点下的无限阵有源反射系数做傅立叶变换实现阵列的互耦分析，确定无限阵的耦合S参数；有源单元方向图分析：根据有源单元方向图与耦合S参数的关系，结合独立阵元方向图、有限阵的阵元位置、幅相信息确定有源单元方向图；阵列方向图综合与修正：综合有源单元方向图，并对综合结果进行修正最终得到综合方向图。本发明仿真速度快、精度高，支持各单元任意幅相激励，能实现大规模平面阵列的互耦分析和方向图综合。

技术领域

本发明涉及阵列天线仿真技术领域，特别是一种基于HFSS单元法的大型有限平面阵列分析方法。

背景技术

阵列天线的准确分析通常借助于矩量法、有限元法、时域有限差分等数值算法，然而受限于当前计算机计算能力的限制，一旦阵列规模过大，方向图的综合将难以实现，而基于这些算法的电磁仿真软件，如HFSS、CST等，也将同样无法实现全阵列建模与仿真。此时，对阵列方向图的综合分析，往往会直接利用经典法的辐射方向图乘积定理得到一个简单的结果。但是，天线组阵后，各单元间会产生互耦；天线阵的边缘也会存在场的绕射等边缘效应，这使得基于经典法获得的方向图与真实情况下的方向图存在较大差异，因此，寻找一种简单快捷而又精确的大型阵列分析的方法尤为重要。

基于简化分析过程的目的，科学家们就提出了无限阵列的概念。无限阵列就是假设中心阵元以相应的布阵方式像四周无限扩展，这样无限阵列中每个阵元的位置关系完全相同。HFSS单元法就是一种基于无限阵概念的大型有限阵列分析方法该方法在对阵列建模时只包括一个天线单元，并根据组阵形式定义相应的周期性边界条件，可以用来模拟无限阵列，但是该方法不考虑二次耦合和边缘效应，仿真得到的综合方向图存在较大误差；且不支持各单元任意幅相激励，只能得到阵列综合方向图，无法获取阵列耦合参数和单元辐射方向图。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单快捷、精确度高的基于HFSS单元法的大型有限平面阵列分析方法，以实现大型有限的平面阵列的互耦分析和方向图综合。

实现本发明目的的技术解决方案如下：一种基于HFSS单元法的大型有限平面阵列分析方法，步骤如下：

步骤1，HFSS单元法分析：利用HFSS单元法建立无限阵列模型，并对主从边界表面间相位差采样，仿真得到一个完整周期结构内各采样点的无限阵有源反射系数；

步骤2，耦合分析：对不同采样点下的无限阵有源反射系数做傅立叶变换实现阵列的互耦分析，确定无限阵的耦合S参数；

步骤3，有源单元方向图分析：根据有源单元方向图与耦合S参数的关系，结合独立阵元方向图、有限阵的阵元位置、幅相信息确定有源单元方向图；

步骤4，阵列方向图综合与修正：综合有源单元方向图，并对综合结果进行修正最终得到综合方向图。

进一步地，步骤1所述HFSS单元法分析，具体如下：

(1.1)利用HFSS单元法建立无限阵列模型：在电磁仿真软件HFSS中对单个阵元建模，沿着阵列栅格方向加两对主从边界对强制场周期性实现平面阵列的无限阵模型；

(1.2)对两个方向上的主从边界表面间相位差p₁、p₂进行N*N点采样：

(1.3)采用MATLAB-HFSS联合仿真的方法进行仿真得到一个完整周期结构内不同采样点下的无限阵有源反射系数

进一步地，步骤2所述耦合分析的具体过程如下：