一种放松反射面天线远场分析电磁网格尺寸的方法

摘要

本发明公开了一种放松反射面天线远场分析电磁网格尺寸的方法，本发明通过消除天线电磁网格远场积分项中的原理误差来放松电磁网格的尺寸，仿真分析表明放松效果极为明显，克服了当前天线远场分析使用拟合方法引入误差、网格拼接面的网格尺寸过小、计算复杂且费时的不足，具有计算精度高、计算简单且速度快的优点，可在反射面天线的远场电磁分析和机电集成优化设计过程中发挥巨大优势，具有较高的实际应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及反射面天线技术领域，具体为一种放松反射面天线远场分析电磁网格尺寸的方法。

背景技术

反射面天线具有结构简单、易于设计且性能优越的优点，因此被广泛用于通信、雷达跟踪和射电天文等领域。随着反射面天线向着大口径、高频段、高精度和快响应等方向发展，天线远区电场的电磁分析越来越难以快速实现。另外，为了设计出高性能的反射面天线，需要对其进行机电集成设计，其每一次迭代设计过程都需要计算天线电性能，其对快速计算反射面天线的电磁性提出了更迫切的需求。

杨东武等人在文献“Preliminary design of paraboloidal reflectors withflat facets”中公开了一种划分网状反射面天线网格的划分方法，其通过将馈源对于最佳吻合抛物面的补偿作用引入进来，使得网状天线的网格尺寸得到了一定程度的放松，但是其网格尺寸通过Ruze公式估计得来，难以获得满足电磁精度的网格尺寸，且其网格尺寸放松有限。段宝岩等人在中国专利“基于拟合变形反射面的天线电性能预测方法”中，公开了一种通过拟合变形的天线反射面，来预测天线电性能的方法，该方法使用最小二乘方法和积分极值定理来求解拟合面的参数，并使用该拟合面取代实际反射面重新进行电磁网格的划分，进而进行天线的远场电性能分析。但是使用拟合面将引入拟合误差，它会影响天线的电性能。因此需要严格控制拟合面的精度，这使得天线的电磁分析步骤繁琐且耗时。

因此，为了解决上述问题，提出一种放松反射面天线远场分析电磁网格尺寸的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种放松反射面天线远场分析电磁网格尺寸的方法，以解决上述背景技术中提出的问题,从而简化反射面天线的电磁计算，避免使用拟合面引入拟合误差和增大难度的问题。该方法通过消除电磁网格积分节点的原理误差来极大地放松电磁网格的尺寸，使得反射面网格数据可直接用于计算天线的远区电场，简化了当前大型反射面天线电性能分析的复杂繁琐步骤。

实现本发明的基本思路是，首先输入用户提供的反射面天线几何参数、形面误差模型、电参数和初始网格尺寸，通过指定的网格尺寸划分天线的电磁网格，确定网格拼接面的远场计算公式，输出其各个网格的积分节点，并消除积分节点的原理误差用以更新网格拼接面远场计算公式，再用该更新的公式计算天线的远区电场，并判断是否满足精度要求，若不满足要求，则修改网格尺寸重新执行以上步骤，若满足精度要求则输出最终的电磁网格尺寸。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种放松反射面天线远场分析电磁网格尺寸的方法，包括如下步骤确定放松的网格尺寸：

步骤(1)输入反射面天线几何参数、形面误差模型、电参数和初始网格尺寸

输入用户提供的反射面天线几何参数、形面误差模型、电参数和初始网格尺寸，其中天线的几何参数包含天线口径、焦距，反射面形面误差模型用于确定反射面上的误差分布，电参数包含工作波长、远场观察点的位置矢量、真实远区电场、馈源参数和精度要求；

步骤(2)划分天线的反射面为电磁网格拼接面

根据给定的网格尺寸，使用指定的划分方式尽量对称、均匀地划分天线的反射面，即可得到对应的网格拼接面；

步骤(3)确定网格拼接面的远场计算公式

反射面天线使用物理光学法计算其远区电场，网格拼接面取代实际反射面后，也使用其形面来近似计算天线的远区电场，再配合使用数值求积的思想来简化每一个网格的远场积分后，则有

上式中

步骤(4)输出所有网格被积函数的求积节点位置

整理并输出所有网格上的求积节点位置

步骤(5)消除网格上求积节点的原理误差

确定网格求积节点对应的实际位置

步骤(6)更新网格拼接面远场计算公式

将

步骤(7)计算天线的远区电场

使用公式(2)来近似计算天线的远区电场；

步骤(8)判断天线电磁精度是否满足要求

判断天线远场结果是否满足步骤(1)中给出的精度要求，若满足要求，则转至步骤(9)；否则转至步骤(10)；

步骤(9)输出放松的天线电磁网格尺寸；

步骤(10)修改天线电磁网格尺寸。

优选的，所述步骤(1)的天线形面误差模型，包括但不限于建立某天线的结构模型，在外载荷作用下的形面误差可以作为形面误差模型，或者参考文献中指定某函数作为误差模型等，例如，本发明的仿真分析部分，使用文献“An approximation of theradiation integral for distorted reflector antennas using surface-errordecomposition”中的形面误差模型，其中误差模型一为天线沿口径面径向有一个周期的sin函数类型的波动，如图3(a)左上角误差分布示意图所示，其模型函数为

其中d(ρ′,φ′)为天线形面在其口径面投影的极坐标(ρ′,φ′)处的轴向误差大小，λ为天线工作波长，D为天线的口径大小；

误差模型二为天线形面沿口径面周向有五个周期cos函数类型的误差波动，如图4(a)左上角误差分布示意图所示，其模型函数为

d(ρ′,φ′)＝0.05λcos(5φ′) (4)

误差模型三为多种误差类型的组合，与实际情况最为接近，如图5(a)左上角误差分布示意图所示，其模型函数为

所述步骤(1)的天线馈源照明类型包括但不限于使用某近似照明函数或者是喇叭天线等。

优选的，所述步骤(2)的网格划分，要使用一个尺寸参数描述网格的大小，包括但不限于使用何种类型的网格(如三角形网格、四边形网格等)，例如网格为平面三角形网格类型，其三角形网格应使用等边三角形的边长作为参数，那么既可以使用顶点在反射面上的空间等边三角形边长，也可以使用其投影在口径面上的等边三角形边长作为参数(本发明的仿真分析部分即使用了这种方法的三角形边长作为参数)。

优选的，所述步骤(3)的公式(1)中单个网格的远场求积公式包括但不限于使用何种数值求积方法，例如本发明的仿真分析部分使用三角网格的重心作为求积节点，使用三角网格的面积作为求积系数。

所述步骤(3)的物理光学法是一种基于面电流分布的高频近似方法，其计算式为：

上式中

当前使用网格拼接面近似计算天线远场的方法为

其中，S

其δ

上式中Foca为天线的焦距，δ

另外，当前通过N

其中，

优选的，所述步骤(5)的消除网格积分节点位置的原理误差，其方法包括但不限于将这些求积节点，沿轴向投影到反射面上，所得节点

优选的，所述步骤(8)的电磁精度要求应至少包括天线远场精度field accuracy和其与该远场精度要求的差值精度ε，其中天线远场的精度计算可以包括但不限于定义为：

field accuracy＝Min(field accuracy

上式中cM天线远区电场观察点的总个数，field accuracy

ε＝|field accuracy-field accuracy

上式中field accuracy

优选的，所述步骤(10)的修改网格尺寸，可以将该问题视为一维非线性约束的最优化问题，求解方法包括但不限于采用常用的一维搜索方法、利用导数信息的最优化方法或者智能优化算法等；例如：本发明的案例分析部分使用了二分法来求解本发明放松后的电磁网格尺寸，其特殊点在于需要首先找到一个可行区间，本发明首先假定网格尺寸的区间为[0,L

有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，本发明提出通过消除电磁网格积分节点的原理误差，来精确计算天线的远场，避免了现有技术为克服采用拟合方法引入误差的不足，需要选择合适的拟合函数并保证满足拟合精度的复杂耗时步骤，本发明克服了大型反射面天线通过离散点拟合反射面计算天线远场复杂耗时的问题。

第二，本发明通过双重网格法消除了电磁网格积分节点的原理误差，有效地放松了电磁网格的尺寸，实现了结构网格直接用于天线电磁计算的简单操作，保证了天线电磁计算精度，并且缩短了计算时间，具有计算精度高、计算量少的优点，可用于提升反射面天线机电集成优化设计的效率，也可用于对不同工况下的反射面天线电性能进行分析和评价。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2理想天线的远场方向图。

图3天线形面存在误差模型一的远场方向图。

图4天线形面存在误差模型二的远场方向图。

图5天线形面存在误差模型三的远场方向图。

图6放松后的网格尺寸和天线反射面对用的电场精度图。

图7计算机计算时间图。

具体实施方式

下面结合附图1来进一步详细描述本发明的具体实施方式。

(1)输入反射面天线几何参数、形面误差模型、电参数和初始网格尺寸

输入用户提供的反射面天线几何参数、形面误差模型、电参数和初始网格尺寸，其中天线的几何参数包含天线口径、焦距，反射面形面误差模型用于确定反射面上的误差分布，电参数包含工作波长、远场观察点的位置矢量、真实远区电场、馈源参数和精度要求；其中天线形面误差模型，包括但不限于建立某天线的结构模型，在外载荷作用下的形面误差可以作为形面误差模型，或者参考文献中指定某函数作为误差模型等。

(2)划分天线的反射面为电磁网格拼接面

根据给定的网格尺寸，使用指定的划分方式尽量对称、均匀地划分天线的反射面，即可得到对应的网格拼接面。这里要使用一个尺寸参数描述网格的大小，包括但不限于使用何种类型的网格(如三角形网格、四边形网格等)，例如网格为平面三角形网格类型，其三角形网格应使用等边三角形的边长作为参数，那么既可以使用顶点在反射面上的空间等边三角形边长，也可以使用其投影在口径面上的等边三角形边长作为参数。

(3)确定网格拼接面的远场计算公式

根据步骤(1)提供的电参数，采用物理光学法计算天线远场的公式为：

上式中

使用网格拼接面取代实际反射面后，使用其形面来近似计算天线的远区电场，再配合使用数值求积的思想来简化每一个网格的远场积分后，则有

上式中

(4)输出所有网格被积函数的求积节点位置

整理并输出所有网格上的求积节点位置

(5)消除网格上求积节点的原理误差

确定网格求积节点对应的实际位置

(6)更新网格拼接面远场计算公式

将

(7)计算天线的远区电场

使用公式(2)来近似计算天线的远区电场；

(8)判断天线电磁精度是否满足要求

计算天线远场精度field accuracy，其公式包括但不限于下式：

field accuracy＝Min(field accuracy

上式中cM天线远区电场观察点的总个数，field accuracy

ε＝|field accuracy-field accuracy

上式中field accuracy

(9)输出放松的天线电磁网格尺寸

(10)修改天线电磁网格尺寸

修改天线电磁网格尺寸，可以将该其视为一维非线性约束的最优化问题，求解方法包括但不限于采用常用的一维搜索方法、利用导数信息的最优化方法或者智能优化算法等。

仿真分析

仿真条件

采用口径D＝50m、焦距Foca＝0.33D、工作频率为60GHz的标准反射面天线，馈源使用x极化的Gauss波束类型，产生的边缘锥削ET＝-10dB。天线的远场计算精度要求为fieldaccuracy

仿真结果

通过二分法确定最终的网格尺寸