[发明专利]一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法

说明书

本发明公开了一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，包括阵元辐射模式的确定；阵元在阵中环境下的模式激励系数的计算；阵列天线远场方向图的计算；阵列天线激励端口网络参数求解。本发明严格考虑了阵元间的互耦效应，可精确分析阵列天线电性能。所提方法可用于揭示阵元间的互耦效应本质，对于阵列天线的分析与设计具有重要工程意义。

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，可用于指导实际工作中的阵列天线电性能分析。

背景技术

阵列天线发展至今已百余年历史，由于其具有易于实现多波束，波束捷变及超低副瓣等优点，已被广泛用于通讯与雷达系统中。实际工程中，由于互耦效应的存在，辐射单元在阵列环境中的性能与自由空间是不一致的。其结果是，互耦效应将会显著影响阵列天线的辐射、散射及端口属性，降低天线的电性能并增加设计难度。因此，深入研究辐射单元间互耦效应的作用机理对于阵列天线的精确分析与设计至关重要。

一般而言，精确分析阵列天线电性能的策略主要有两类。其一是将整个阵列天线视为一个系统，根据电磁场控制方程及相应边界条件采用数值方法(如矩量法)构造代数方程进行求解分析。这类方法可精确分析天线的电性能并且应用广泛。另一类研究策略旨在探究辐射单元间电磁耦合关系，进而建立阵列电性能与孤立辐射单元电磁特征的关联模型。显然，与直接求解方法相比，这种研究策略显式给出单元特性与阵列特性之间的函数关系，有利于阵列天线的设计。许多科研人员已基于第二种策略开展了丰富的相关研究。例如，基于阵列端口散射参数建立有源单元方向图与孤立辐射单元方向图之间的关联模型，定量描述辐射单元阵中辐射特性与其在自由空间中的辐射特征之间的关系。但这种方法仅适用于最小散射天线类型的辐射单元，如短电偶极子，短磁偶极子等。在辐射单元可用最小散射天线近似的前提下，可基于孤立单元特征给出单元间互阻抗以及单元阵中辐射方向图的计算式。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，该方法考虑了阵元间的互耦效应，能够精确分析阵列天线辐射、散射及端口网络参数，对实际工程中的阵列天线电性能预测具有重要意义。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于阵元特征模式的阵列天线电性能分析方法，包括如下步骤：

(1)根据阵元几何参数确定其特征模式信息，特征模式信息包括特征值、模式电流和模式电场；

(2)根据阵列天线几何参数和激励分布，构建耦合平衡方程，求解获得阵元在阵列环境中的模式激励系数；

(3)确定每一阵元在考虑互耦效应下的模式权重系数，进而根据所获模式权重系数及阵元模式电场确定阵列远区电场方向图；

(4)计算获得阵列激励端口网络参数，包括阻抗及散射参数。

进一步，所述步骤(1)中，确定阵元特征模式信息，按照如下步骤进行：

(1a)根据电场积分方程，构造广义特征值方程，求解获得第m个阵元第a阶特征值模式电流和模式电场

(1b)根据步骤(1a)所获得的阵元特征模信息，确定阵元表面总电流J^m；

(1c)根据步骤(1a)所获得的阵元特征模信息，确定阵元总辐射电场E^m。

进一步，所述步骤(2)中，确定各阵元在阵列环境中的模式激励系数，按照如下步骤进行：

(2a)确定阵元m在阵中环境下的模式激励系数所满足的平衡方程；

(2b)重复步骤(2a)，获得阵元m所有阶次模式所满足的平衡方程；