船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法

摘要

本发明提供船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法，依据发射阵列天线对接收阵列天线阵元的电磁耦合理论，对发射阵列天线样机和接收阵元天线建立全波电磁模型，并采用一致性绕射理论和基于幅相合成理论的矢量叠加方法对发射阵列天线样机的耦合场进行预先混合仿真求解；在开阔试验场进行局部阵列天线的电磁耦合试验，将局部阵列天线的电磁耦合试验结果与网络参数模型对比验证，用实际条件下的量化因子修正干扰场传播模型，以保证仿真计算与试验结果相吻合。本发明方法既发挥了全波数值方法的精确性优点，又为模拟试验校正提供了接口，通过反衍计算解决了理想状态下开展仿真计算导致的过设计或欠设计问题。

说明书

技术领域

本发明属于船舶平台系统级电磁兼容预测与设计技术领域，尤其涉及一种船舶射频集成 状态下的大型阵列天线电磁兼容预测与优化布局设计。

背景技术

将多组不同功能的大型阵列天线共形安装在船舶上层建筑上，可实现强大的射频功能和 射频资源的集成灵活调配，是船舶射频集成技术的主要形式，也是船舶射频技术发展的必然 趋势。然而，由于船载阵列天线发射功率大、工作频带宽，多组阵列天线的紧密布局会引起 相互间严重的电磁耦合干扰，必须在设计阶段通过准确预测指导和支撑阵列天线的优化布局。

目前，在设计阶段对阵列天线领域电磁耦合预测主要包括两种方法：仿真计算和模拟试 验。尚存在以下问题无法解决：

(1)仿真计算主要采用全波数值方法，需要对仿真对象进行全尺度网格离散，对于船舶 大型阵列天线间电磁耦合计算来说，几千个阵元的大规模相控阵在离散时会生成数亿个网格， 如果考虑超大电波长尺寸的船舶结构，未知数数量将超出目前最先进计算机的求解能力，且 方程组求解无法收敛。因此，数值方法仅应用于百量级阵元数量的小型阵列天线自身电磁耦 合预测。

(2)在设计研制阶段，尚不具备利用完整大型阵列天线开展相互间电磁耦合模拟试验的 条件，仅可利用局部阵列天线样机。局部阵列天线样机与完整阵列天线的阵元数量及波束方 向性均不同，存在非线性因素，利用局部阵列天线间的电磁耦合试验数据无法准确换算完整 大型阵列天线间的电磁耦合数据。因此，仅采用模拟试验方法尚无法预测船舶大型阵列天线 间的电磁耦合特征。

检索国内外文献，船舶大型阵列天线间电磁耦合预测方法尚属空白。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法，适 用于船舶平台大型阵列天线电磁兼容优化布局设计，且不受阵元数量、船舶结构约束和设备 条件限制。

船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)根据船舶大型阵列天线的类型制作局部阵列天线样机，局部阵列天线样机分为发射阵 列天线样机和接收阵列天线样机，发射阵列天线样机由发射阵元天线及其发射组件组成，接 收阵列天线样机由接收阵元天线及其接收组件组成；对局部阵列天线样机建立全波电磁仿真 模型；

根据需求建造船舶上层建筑模拟钢结构，模拟钢结构为仿真模型或实际模型；

2)测试发射阵列天线样机中每个发射阵元天线的发射组件输出的主频频谱和带外频谱， 获得发射组件输出端频率和电压数据，作为发射阵元天线激励参数对全波电磁仿真模型赋值， 用矩量法计算发射阵列天线样机中每个发射阵元天线的表面电流密度和阵元天线间互阻抗， 进一步求得每个发射阵元天线的辐射场；引入一致性绕射理论建立辐射场传播模型，将积分 方程转变为线性方程组，采用矢量叠加求解发射阵列天线样机在上层建筑表面的直射场、反 射场和绕射场；

3)将发射阵列天线样机和单个接收阵元天线安装于上层建筑模拟钢结构外壁表面，测试 发射阵列天线样机的辐射场，量化分析上层建筑模拟钢结构外壁表面引起的反射和绕射对电 磁耦合的影响，校验发射阵列天线辐射场传播模型；

4)将接收阵列天线样机平均划分为四个子阵列，分别以单个接收阵元、单个子阵列和子 阵列组合的方式进行接收，获取接收阵元和子阵列数量递增时，主频和带外耦合电平在射频 输出端的变化规律，建立接收阵元、接收子阵列数量与电磁耦合电压的相关性模型；

5)采用步骤2)中求得的发射阵元天线间互阻抗，构建完整大型发射阵列天线辐射模型； 采用步骤3)中辐射场传播模型构建并校验发射阵元天线与接收阵元天线之间基于多端口网 络的互阻抗矩阵函数，求得发射阵元天线与接收阵元天线之间的耦合系数，采用矢量叠加原 理求得完整大型发射阵列天线对接收阵元的耦合电压；采用步骤4)中接收阵元、接收子阵 列数量与电磁耦合电压的相关性模型，求得完整大型发射阵列天线辐射场对完整大型接收阵 列天线的电磁耦合电压。

按上述方案，所述步骤1)局部阵列天线样机是完整阵列天线在设计过程中研制的原理 性天线设备，所包含的阵元天线数量通常为完整阵列天线阵元数量的二十分之一以下，主要 用于设计阶段的系统级试验，局部阵列天线样机与完整阵列天线的工作原理基本相同，但局 部阵列天线样机比完整阵列天线更容易制造，更方便试验时反复拆装和移动。

按上述方案，所述步骤2)在发射阵列天线每个阵元天线的发射组件输出口测试发射频 谱，当主频能量过大导致带外频谱分量被底噪淹没时，进行主频抑制或滤波，以提取带外频 谱分量，进而为阵元天线仿真模型提供激励参数。所述底噪为主频引起的宽带噪声。

按上述方案，所述步骤3)用信号分析仪测试接收阵列天线样机的阵列、阵元耦合频谱 特征，并更换接收阵列天线的安装位置，提取不同耦合路径结构、不同频率对电磁耦合的量 化影响因子，校验发射阵列天线辐射场传播模型。

按上述方案，所述的步骤4)在利用单个阵元天线进行测试接收时，按接收阵列天线极 化方式布置接收阵元天线，发射阵列天线发射水平波束，并在测试带外频谱时使用主频滤波 器。

发射组件为阵元天线的射频激励模块。

本发明的部分工作原理为：对一个包含N个阵元的发射阵列天线A，馈端端口激励电压 与电流满足下式：

$\left(\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\\ .\\ .\\ .\\ V_N\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}{Z}_{11}& Z_{12}& ...& Z_{1N}\\ Z_{21}& Z_{22}& ...& Z_{2N}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ Z_{N1}& Z_{N2}& ...& Z_{\mathrm{NN}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ .\\ .\\ .\\ I_N\end{array}\right)---\left(1\right),$

式(1)左侧的激励电压V₁，…V_N为复数，包括了激励电压的幅度和相位，其中，激励 电压的幅度通过在发射组件输出口测量获得，激励电压的相位通过测试主频、谐波、主频带 外杂散的方向性获得；Z_ij为互阻抗矩阵Z_A中的元素，i和j为阵列天线A中任意两个阵元天 线，I_i，…I_N为阵元天线端口电流；

对一个包含N′个阵元的接收阵列天线B，馈端端口激励电压与电流满足下式：

$\left(\begin{array}{c}{V}_{1^{\prime }}\\ V_{2^{\prime }}\\ .\\ .\\ .\\ V_{N^{\prime }}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}{Z}_{1^{\prime }{1}^{\prime }}& Z_{1^{\prime }{2}^{\prime }}& ...& Z_{1^{\prime }{N}^{\prime }}\\ Z_{2^{\prime }{1}^{\prime }}& Z_{2^{\prime }{2}^{\prime }}& ...& Z_{2^{\prime }{N}^{\prime }}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ Z_{N^{\prime }{1}^{\prime }}& Z_{N^{\prime }{2}^{\prime }}& ...& Z_{N^{\prime }{N}^{\prime }}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_{1^{\prime }}\\ I_{2^{\prime }}\\ .\\ .\\ .\\ I_{N^{\prime }}\end{array}\right)---\left(2\right),$

式(2)中V_1′，…V_N′为激励电压，Z_i′j′为互阻抗矩阵Z_B中的元素，i′和j′为阵列天 线B中任意两个阵元天线，I_1′，…I_N′为阵元天线端口电流；当两个阵列天线同时存在时，存 在互相影响，对公式(1)中的网络参数模型进行馈端端口填充，激励电压与电流满足下式：

上式中的阻抗矩阵可用分块矩阵表示为

$\left(\begin{array}{cc}P& Q\\ S& T\end{array}\right)---\left(4\right),$

其中P为阵列天线A端口间的互阻抗矩阵，Q为阵列天线A对B(A发射，B接收)的互 阻抗矩阵，S为阵列天线B对A(B发射，A接收)的互阻抗矩阵，T为阵列天线B端口间的 互阻抗矩阵。由于端口的互易性，有S＝Q。

互阻抗矩阵Z_A中的元素Z_ij为收发阵列天线A中任意两个阵元天线i、j馈端端口的互阻 抗，其公式为

$Z_{\mathrm{ij}}=\frac{-1}{I_i{I}_j}\int \int \int E^i·J^j\mathrm{dV}---\left(5\right),$

Eⁱ为阵元天线i产生的沿阵元天线j的电场，J^j为阵元天线j的表面电流；I_i和I_j分别 为阵元天线i和j的馈端电流；当i与j不在同一阵列天线时，Eⁱ要考虑绕射、反射等的影响， 包括引入测试所得到的耦合路径量化影响因子；

根据式(5)求得阻抗矩阵后，可求得被干扰阵列天线各阵元端口的电流响应：

在此基础上，采用以下方法进行反衍求解：定义S_Ai为阵列天线A对阵列天线B第i个阵 元天线的耦合系数，S_Ai计算公式为：

$S_{\mathrm{Ai}}=\underset{n\in A}{\Sigma }{S}_{\mathrm{ni}}{c}_n---\left(7\right),$

$\underset{n\in A}{\Sigma }{\left|c_n\right|}^2=1---\left(8\right),$

在式(7)、(8)中，n是阵列A的辐射阵元编号，S_ni为阵列天线A第n阵元与阵列天线 B第i阵元的耦合系数，分别为阵列天线A第n个阵元的入射波幅度和相位，式(8) 对c_n进行了归一化处理；

阵列天线A对阵列天线B第i阵元实际耦合的归一化波为：

$S_{\mathrm{Ai}}=\underset{n\in A}{\Sigma }{S}_{\mathrm{ni}}{a}_n---\left(9\right),$

a_n为阵列天线A第n个单元的归一化入射波，阵列天线A对阵列天线B第i个阵元在实 际耦合的电压V_Ai和电流I_Ai分别为：

$V_{\mathrm{Ai}}=s_{\mathrm{Ai}}·\sqrt{Z_0}---\left(10\right),$

$I_{\mathrm{Ai}}=s_{\mathrm{Ai}}/\sqrt{Z_0}---\left(11\right),$

式(10)、(11)中的Z₀为接收阵元天线的特征阻抗；

在阵列天线B的接收通道内，对阵元的接收信号进行了加权，子阵实际收到的电压为：

N′为阵列天线B的阵元数量，k_i、分别为第i个阵元接收通道的幅度和相位加权系数。

本发明的有益效果为：

1、既发挥了全波数值方法的精确性优点，又为模拟试验校正提供了接口，通过反衍计算 解决了理想状态下开展仿真计算导致的过设计或欠设计问题。

2、采用阵元级全波数值方法和阵列级多端口网络参数矩阵开展船舶大型阵列天线间的电 磁耦合求解，完整计算了大型阵列天线数千个阵元间的相互影响和电磁耦合，解决了单独使 用全波方法计算规模小、阵元数量受限的难题。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明一实施例的具体流程图。

图3为发射组件作为激励源的等效电路。

图4为接收组件作为负载的等效电路。

图5为完整大型发射阵列天线间电磁耦合反衍求解精度对比曲线。

具体实施方式

本发明的设计思想如图1所示，1)依据发射阵列天线对接收阵列天线阵元的电磁耦合理 论，对发射阵列天线样机和接收阵元天线建立全波电磁模型，并采用一致性绕射理论和基于 幅相合成理论的矢量叠加方法对发射阵列天线样机的耦合场进行预先混合仿真求解；2)在开 阔试验场进行局部阵列天线的电磁耦合试验，将局部阵列天线的电磁耦合试验结果与网络参 数模型对比验证，用实际条件下的量化因子修正干扰场传播模型，以保证仿真计算与试验结 果相吻合；所述的电磁耦合试验包括发射阵列天线样机与接收阵列天线样机之间和发射阵列 天线样机与接收阵元天线之间的电磁耦合试验；3)采用试验获得的激励参数和基于多端口网 络的互阻抗矩阵函数模型对大型阵列天线间电磁耦合的反衍求解。

船舶大型阵列天线间电磁耦合反衍预测方法包括以下步骤：

1)根据船舶大型阵列天线的类型制作局部阵列天线样机，局部阵列天线样机分为发射阵 列天线样机和接收阵列天线样机，发射阵列天线样机由发射阵元天线及其发射组件组成，接 收阵列天线样机由接收阵元天线及其接收组件组成；对局部阵列天线样机建立全波电磁仿真 模型；局部阵列天线样机是完整阵列天线在设计过程中研制的原理性天线设备，所包含的阵 元天线数量为完整阵列天线阵元数量的二十分之一以下。

根据需求建造船舶上层建筑模拟钢结构，模拟钢结构为仿真模型或实际模型。

2)测试发射阵列天线样机中每个发射阵元天线的发射组件输出的主频频谱和带外频谱， 获得发射组件输出端频率和电压数据，作为发射阵元天线激励参数对全波电磁仿真模型赋值， 用矩量法计算发射阵列天线样机中每个发射阵元天线的表面电流密度和阵元天线间互阻抗， 进一步求得每个发射阵元天线的辐射场；引入一致性绕射理论建立辐射场传播模型，将积分 方程转变为线性方程组，采用矢量叠加求解发射阵列天线样机在上层建筑表面的直射场、反 射场和绕射场。

在发射阵列天线每个阵元天线的发射组件输出口测试发射频谱，当主频能量过大导致带 外频谱分量被底噪淹没时，进行主频抑制或滤波，以提取带外频谱分量，进而为阵元天线仿 真模型提供激励参数。

3)将发射阵列天线样机和单个接收阵元天线安装于上层建筑模拟钢结构外壁表面，测试 发射阵列天线样机的辐射场，量化分析上层建筑模拟钢结构外壁表面引起的反射和绕射对电 磁耦合的影响，校验发射阵列天线辐射场传播模型。

用信号分析仪测试接收阵列天线样机的阵列、阵元耦合频谱特征，并更换接收阵列天线 的安装位置，提取不同耦合路径结构、不同频率对电磁耦合的量化影响因子，校验发射阵列 天线辐射场传播模型。耦合路径结构通常选取倒角遮挡等可能存在影响较大的特殊结构，频 率根据实际情况选择典型频率。

4)将接收阵列天线样机平均划分为四个子阵列，分别以单个接收阵元、单个子阵列和子 阵列组合的方式进行接收，获取接收阵元和子阵列数量递增时，主频和带外耦合电平在射频 输出端的变化规律，建立接收阵元、接收子阵列数量与电磁耦合电压的相关性模型。

在利用单个阵元天线进行测试接收时，按接收阵列天线极化方式布置接收阵元天线，发 射阵列天线发射水平波束，并在测试带外频谱时使用主频滤波器。

5)采用步骤2)中求得的发射阵元天线间互阻抗，构建完整大型发射阵列天线辐射模型； 采用步骤3)中辐射场传播模型构建并校验发射阵元天线与接收阵元天线之间基于多端口网 络的互阻抗矩阵函数，求得发射阵元天线与接收阵元天线之间的耦合系数，采用矢量叠加原 理求得完整大型发射阵列天线对接收阵元的耦合电压；采用步骤4)中接收阵元、接收子阵 列数量与电磁耦合电压的相关性模型，求得完整大型发射阵列天线辐射场对完整大型接收阵 列天线的电磁耦合电压。

图2为本发明一实施例的具体流程图。

(1)建立各包含300个发射阵元天线(阵元数量为完整大型阵列天线的二十分之一)的 发射阵列天线样机和接收阵列天线样机全波电磁仿真模型，将积分方程转变为线性方程组。 测试发射阵列天线样机不同发射组件的主频频谱、谐波频谱和带外杂散频谱，获得发射组件 频率和电压样本数据作为阵元天线激励，用矩量法计算端口电流和阵元天线表面的电流密度。

(2)将发射阵列天线样机分解为包括激励源、传输线、阵元天线。激励源包括内阻Z_g， 在激励端口A、B位置，发射组件作为天线1的激励源，内阻为Z_g＝50Ω，天线视为二端阻抗， 作为传输线的负载Z₀，如图3所示；接收通道中，接收组件作为天线1的接收负载，内阻也 为Z_L＝50Ω，如图4所示。50Ω的发射/接收组件与特征阻抗Z₀＝50Ω的传输线相连，计算发射 阵元天线间互阻抗特性，进一步求得每个发射阵元天线的辐射场，确定耦合方向并根据一致 性绕射理论求解每个发射阵元天线的辐射场，采用基于幅相合成的矢量叠加方法获得发射阵 列天线样机发射时在上层建筑表面的直射场、反射场和绕射场。

(3)分别用单个接收阵元天线和接收阵列天线样机作为接收天线，贴壁布置于上层建筑 外壁结构的不同位置上。在利用单个接收阵元天线进行测试接收时，按实际接收阵列天线的 极化方式布置阵元天线，发射阵列天线样机发射水平波束(俯仰角0度，方位角0度)，并在 测试谐波频谱和带外杂散频谱时使用主频滤波器。量化分析外壁和甲板反射、掠入射和边缘 绕射对电磁耦合的影响，校正发射阵列天线样机的辐射场传播模型，对理论模型进行参数补 偿。

(4)将发射局部阵列天线划分为四个子阵列，分别以单个子阵列和子阵列组合的方式进 行多波束角发射，研究发射阵列数量不断递增时，主频、谐波和带外杂散的幅相合成规律， 建立发射阵元数量与耦合电压的相关性模型。

(5)采用互阻抗理论构建包含6000个阵元的完整大型阵列天线发射空间频谱特征模型 和完整大型阵列天线的耦合模型。建立发射阵元天线与接收阵元天线之间基于多端口网络的 互阻抗矩阵函数，将接收阵列天线中心阵元与周围阵元同时建模，获得中心阵元端口电流和 考虑中心阵元与周围阵元互阻抗条件下的完整大型阵线间电磁耦合电压。

图5为完整大型发射阵列天线间电磁耦合反衍求解精度对比曲线，其中反衍预测结果与 实测结果对比误差小于3dB，可满足工程设计需求。