一种星载阵列天线辐射场的计算方法、装置及介质与流程

1.本发明涉及天线阵列技术领域，尤其涉及一种星载阵列天线辐射场的计算方法、装置及介质。


背景技术：

2.对于星载甚低频发射系统，提高星载天线的辐射效率至关重要，而其中决定性因素之一是天线电流矩的大小。然而电流矩会受到单位面积有限电流的限制，同时天线过长也会增加姿态控制的难度，这两者都会导致卫星发射成本的增加。一种可能替代传统单天线的方案是采用多个空间天线组成星载天线阵来提高电流矩及辐射效率。对于多阵元的天线阵列，区别于位于电离层等离子体中的孤立线天线，每个天线不仅会受到自身电流产生的辐射场的影响，同时也会受到阵列中其他天线电流产生的电磁场的影响，阵列的这种互耦效应会改变各天线原有的电流分布，进而影响阵列产生的辐射场。此外，通过控制阵列中辐射单元的馈电相位来改变天线方向图最大值的指向，一定程度上实现具有空间波束赋形功能的星载相控阵天线，有望极大地提高星载甚低频发射系统的发射效率。
3.星载阵列天线辐射场及阵因子的计算问题尚未引起足够的重视，当计算阵列天线的辐射场时，不同天线单元之间的相互耦合及其传播相位关系是必须考虑的关键因素。同时由于地球磁场的影响，星载发射天线所处的电离层在甚低频段会表现出强烈的各向异性特性。目前有关星载阵列天线辐射场及阵因子计算的研究尚不充分，尤其是在考虑电离层各向异性和阵列互耦效应的共同作用下，计算具有不同阵元排布形式的星载阵列天线的辐射场及阵因子尚缺乏具体有效的方法。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种星载阵列天线辐射场的计算方法、装置及介质，可以有效地解决位于电离层中的星载甚低频阵列天线辐射场及阵因子的计算问题。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种星载阵列天线辐射场的计算方法，包括以下步骤：
6.（1）求解电偶极子在电离层环境中激励的甚低频辐射场，根据天线电流源点和观察点的相对位置关系，计算甚低频天线在电离层环境中的核函数；
7.（2）利用步骤（1）得到的核函数，根据边界条件建立并求解电离层环境中阵列天线满足的n个电流积分方程，从而得到阵列中各天线的电流分布；
8.（3）根据步骤（1）得到的核函数和步骤（2）得到的电流分布，计算阵列中各天线的辐射场，通过对所有天线的辐射场进行求和，即可得到阵列天线的辐射场。
9.进一步地，所述步骤（1）中的电离层在甚低频频段作为均匀无限大的各向异性等离子体媒质，通过计算观察点和电偶极子的相对横向传播距离和相对纵向传播距离，并对麦克斯韦方程作三维傅里叶变换，即可得到任意位置处的电偶极子所产生的辐射场，
此即为甚低频天线在电离层环境中的核函数。
10.进一步地，所述阵列天线由n个尺寸相同、互相平行、排布方式任意的线天线组成。
11.进一步地，所述步骤（2）中，所述根据边界条件建立并求解电离层环境中阵列天线满足的n个电流积分方程具体为：各天线表面的切向电场是n个天线共同作用的总和，并同时满足n个电流积分方程；由于天线可视作良导体，根据边界条件天线表面的电场切向分量应处处为零，而天线馈电点处的电场切向分量等于馈电电压；因此阵列中第k根天线满足的电流积分方程为：
[0012][0013]
其中，表示真空中的波阻抗，k0表示真空中的波数，表示电离层介电常数矩阵的对角分量，ii表示第i根天线的电流分布，vk表示第k根天线的馈电电压，h表示天线的半长度，b
ki
表示第k根天线和第i根天线之间的横向间距，z表示观察点的纵向高度，表示天线电流源点的纵向高度，表示狄拉克函数。
[0014]
进一步地，所述步骤（2）中，利用矩量法求解阵列天线满足的n个电流积分方程，得到阵列中各天线的电流分布ii。
[0015]
进一步地，所述步骤（3）中，阵列天线的辐射场为阵列中各天线辐射场的总和，各天线产生的辐射场由核函数乘以电流分布并对天线长度进行积分得到，因此阵列天线的辐射场可表示为：
[0016][0017]
其中和为第i根天线与观察点的相对横向传播距离和相对纵向传播距离，e
array
表示阵列天线的辐射场，其所对应的场分量与核函数g表示的分量一致。
[0018]
进一步地，还包括计算阵因子以简化步骤（3）得到的阵列天线的辐射场的步骤；该步骤具体为：根据天线的电流相位以及各天线单元至观察点的相对传播距离，分析第i根天线与第一根天线的传播相位差，并据此计算阵列天线的阵因子，从而简化阵列天线辐射场的表达式。
[0019]
进一步地，所述阵因子a为阵列中各天线单元相对于第一根天线的传播相位差项的总和，表示为：
[0020][0021]
其中为第i根天线与第一根天线的传播相位差，j表示虚部符号；利用阵因子简化阵列天线辐射场的表达式并降低计算复杂度，简化后的表达式为：
[0022][0023]
其中为阵列中第一根天线产生的辐射场。
[0024]
一种星载阵列天线辐射场的计算装置，包括一个或多个处理器，用于实现上述的
星载阵列天线辐射场的计算方法。
[0025]
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于上述的星载阵列天线辐射场的计算方法。
[0026]
本发明的有益效果是：
[0027]
（1）提出了星载阵列天线辐射场的有效计算方法，以及结合阵因子简化星载阵列天线辐射场，降低了计算复杂度，计算耗时少，准确度高，可为星载甚低频阵列天线的实际工程应用提供理论指导与依据；
[0028]
（2）用于星载甚低频阵列天线辐射场及阵因子的高精度计算，通过准确计算阵列天线的辐射场来评估星载相控阵天线的辐射特性，从而为实现阵列天线的最佳性能提供理论支撑；
[0029]
（3）针对甚低频频段下电离层各向异性所导致的数学处理复杂、积分收敛速度慢差等难点，通过利用各种解析与数值工具，创新性地提出了一种可用于准确计算星载甚低频阵列天线辐射场及阵因子的方法，本方法一定程度上填补了各向异性条件下阵列天线辐射场及阵因子计算方法缺失的空白，具有物理含义清晰、计算耗时少、计算精度高等优点，可用于实际星载工程应用中的分析计算。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1为本方法的实施流程示意图；
[0032]
图2为阵列天线的结构标注及与观察点的相对位置关系图；
[0033]
图3为各天线单元相对于第一根天线的传播相位差图；
[0034]
图4为本发明的一种硬件结构图。
具体实施方式
[0035]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0036]
下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
[0037]
实施例1：
[0038]
本发明的一种星载阵列天线辐射场的计算方法，包括如下步骤：
[0039]
（1）天线核函数的计算：在甚低频段将电离层视作均匀无限大的各向异性等离子体媒质，通过三维傅里叶变换得到电偶极子辐射场的表达式，电偶极子与观察点间的横向传播距离和纵向传播距离可分别定义为和z；接下来令电偶极子离开坐标系原点，通过计算观察点和电偶极子的相对横向传播距离和相对纵向传播距离，再将其代入原辐射
场表达式，即可得到任意位置处的电偶极子所产生的辐射场，此即为甚低频天线在电离层中的核函数。
[0040]
（2）天线电流分布的计算：本实施例中的阵列天线由n个尺寸相同、互相平行的线天线组成，天线单元的排布方式为所有天线的中心均位于半径为r的圆周上，如图2所示。其中，a表示天线的半径，h表示天线的半长度，b0表示地磁场的强度，b
ki
表示第k根天线和第i根天线之间的横向间距，z表示观察点的纵向高度，表示天线电流源点的纵向高度，表示电离层的介电常数矩阵，表示真空中的介电常数，和为电离层介电常数矩阵中的对角分量，为电离层介电常数矩阵中的非对角分量，j表示虚部符号，ii(z’)表示第i根天线的电流分布。各天线表面的切向电场是n个天线共同作用的总和，并同时满足n个电流积分方程；
[0041]
利用步骤（1）得到的核函数，根据边界条件建立并求解电离层环境中阵列天线满足的n个电流积分方程，由于天线可视作良导体，根据边界条件天线表面的电场切向分量应处处为零，而天线馈电点处的电场切向分量应近似等于馈电电压，因此阵列中第k根天线满足的电流积分方程为：
[0042][0043]
其中表示真空中的波阻抗，k0表示真空中的波数，vk表示第k根天线的馈电电压，表示狄拉克函数；接下来，利用矩量法等数值工具求解阵列天线满足的n个电流积分方程，即可得到阵列中各天线的电流分布ii。
[0044]
（3）阵列天线辐射场的计算：根据步骤（1）得到的核函数和步骤（2）得到的电流分布，各天线产生的辐射场可由核函数乘以电流分布并对天线长度进行积分得到，通过对所有天线的辐射场进行求和，即可得到阵列天线的辐射场，表示为：
[0045][0046]
其中和为第i根天线与观察点p的相对横向传播距离和相对纵向传播距离，如图2所示，e
array
表示阵列天线的辐射场，其所对应的场分量与核函数g表示的分量一致。
[0047]
实施例2：
[0048]
在实施例1得到阵列天线的辐射场的基础上，本实施例通过计算阵因子进一步简化阵列天线的辐射场；
[0049]
阵因子的计算：根据天线的电流相位以及各天线单元至观察点的相对传播距离，分析第i根天线与第一根天线相对于观察点p的传播相位差，如图3所示，并据此计算阵列天线的阵因子a，阵因子a为阵列中各天线单元相对于第一根天线的传播相位差项的总和，表示为：，其中为第i根天线与第一根天线的传播相位差；利用阵因子可
进一步简化阵列天线辐射场的表达式并降低计算复杂度，简化后的阵列天线辐射场表达式为：
[0050][0051]
其中，为阵列中第一根天线产生的辐射场。
[0052]
本发明可面向星载甚低频水下通信及导航等重大应用。星载甚低频发射是新一代对水下目标通信及导航的重要手段，采用多个空间天线组成星载天线阵可有效提高天线电流矩及辐射效率，因此准确计算星载阵列天线在电离层中的辐射场及阵因子对星载甚低频发射和传播试验中优化系统设计、提高辐射效率、降低制造成本等均具有重要指导意义。
[0053]
与前述一种星载阵列天线辐射场的计算方法的实施例相对应，本发明还提供了一种星载阵列天线辐射场的计算装置的实施例。
[0054]
参见图4，本发明实施例提供的一种星载阵列天线辐射场的计算装置，包括一个或多个处理器，用于实现上述实施例中的一种星载阵列天线辐射场的计算方法。
[0055]
本发明的一种星载阵列天线辐射场的计算装置的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图4所示，为本发明的一种星载阵列天线辐射场的计算装置所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图4所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
[0056]
上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
[0057]
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0058]
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的一种星载阵列天线辐射场的计算方法。
[0059]
所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡（smart media card，smc）、sd卡、闪存卡（flash card）等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数
据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0060]
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种星载阵列天线辐射场的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）求解电偶极子在电离层环境中激励的甚低频辐射场，根据天线电流源点和观察点的相对位置关系，计算甚低频天线在电离层环境中的核函数；（2）利用步骤（1）得到的核函数，根据边界条件建立并求解电离层环境中阵列天线满足的n个电流积分方程，从而得到阵列中各天线的电流分布；（3）根据步骤（1）得到的核函数和步骤（2）得到的电流分布，计算阵列中各天线的辐射场，通过对所有天线的辐射场进行求和，即可得到阵列天线的辐射场。2.根据权利要求1所述的一种星载阵列天线辐射场的计算方法，其特征在于，所述步骤（1）中的电离层在甚低频频段作为均匀无限大的各向异性等离子体媒质，通过计算观察点和电偶极子的相对横向传播距离和相对纵向传播距离，并对麦克斯韦方程作三维傅里叶变换，即可得到任意位置处的电偶极子所产生的辐射场，此即为甚低频天线在电离层环境中的核函数。3.根据权利要求1所述的一种星载阵列天线辐射场的计算方法，其特征在于，所述阵列天线由n个尺寸相同、互相平行、排布方式任意的线天线组成。4.根据权利要求1所述的一种星载阵列天线辐射场的计算方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述根据边界条件建立并求解电离层环境中阵列天线满足的n个电流积分方程具体为：各天线表面的切向电场是n个天线共同作用的总和，并同时满足n个电流积分方程；由于天线可视作良导体，根据边界条件天线表面的电场切向分量应处处为零，而天线馈电点处的电场切向分量等于馈电电压；因此阵列中第k根天线满足的电流积分方程为：其中，表示真空中的波阻抗，k0表示真空中的波数，表示电离层介电常数矩阵的对角分量，i
i
表示第i根天线的电流分布，v
k
表示第k根天线的馈电电压，h表示天线的半长度，b
ki
表示第k根天线和第i根天线之间的横向间距，z表示观察点的纵向高度，表示天线电流源点的纵向高度，表示狄拉克函数。5.根据权利要求1所述的一种星载阵列天线辐射场的计算方法，其特征在于，所述步骤（2）中，利用矩量法求解阵列天线满足的n个电流积分方程，得到阵列中各天线的电流分布i
i
。6.根据权利要求1所述的一种星载阵列天线辐射场的计算方法，其特征在于，所述步骤（3）中，阵列天线的辐射场为阵列中各天线辐射场的总和，各天线产生的辐射场由核函数乘以电流分布并对天线长度进行积分得到，因此阵列天线的辐射场可表示为：其中和为第i根天线与观察点的相对横向传播距离和相对纵向传播距离，e
array
表示阵列天线的辐射场，其所对应的场分量与核函数g表示的分量一致。7.根据权利要求1所述的一种星载阵列天线辐射场的计算方法，其特征在于，还包括计算阵因子以简化步骤（3）得到的阵列天线的辐射场的步骤；该步骤具体为：根据天线的电流
相位以及各天线单元至观察点的相对传播距离，分析第i根天线与第一根天线的传播相位差，并据此计算阵列天线的阵因子，从而简化阵列天线辐射场的表达式。8.根据权利要求7所述的一种星载阵列天线辐射场的计算方法，其特征在于，所述阵因子a为阵列中各天线单元相对于第一根天线的传播相位差项的总和，表示为：其中为第i根天线与第一根天线的传播相位差，j表示虚部符号；利用阵因子简化阵列天线辐射场的表达式并降低计算复杂度，简化后的表达式为：其中为阵列中第一根天线产生的辐射场。9.一种星载阵列天线辐射场的计算装置，其特征在于，包括一个或多个处理器，用于实现权利要求1-8中任一项所述的一种星载阵列天线辐射场的计算方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时，用于实现权利要求1-8中任一项所述的一种星载阵列天线辐射场的计算方法。

技术总结
本发明公开了一种星载阵列天线辐射场的计算方法、装置及介质，包括：天线核函数的计算：计算甚低频天线在电离层环境中的核函数；天线电流分布的计算：建立并求解阵列天线满足的N个电流积分方程，得到阵列中各天线的电流分布；阵列天线辐射场的计算：对所有天线单元的辐射场进行计算并求和，得到阵列天线的辐射场；阵因子的计算：分析第i根天线与第一根天线的传播相位差，并据此计算阵列天线的阵因子，进一步简化阵列天线的辐射场。本发明提供了星载阵列天线辐射场的有效计算方法，计算耗时少，准确度高，可为星载甚低频阵列天线的实际工程应用提供理论支撑。工程应用提供理论支撑。工程应用提供理论支撑。


技术研发人员：何通 张雪薇
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：2023.08.10
技术公布日：2023/9/9