一种计算复杂环境下天线互耦的新方法1.doc

精品论文推荐一种计算复杂环境下天线互耦的新方法1陈政，谢拥军，李江，张珺西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，陕西西安（710071）摘要：复杂环境下天线间耦合度计算是系统级电磁兼容研究的重要课题，根据惠更斯原理 和等效原理推导出了一种解决复杂平台天线间耦合度问题的新方法逐级等效法。为了验证 方法的正确性，举例计算了一平台上天线间的耦合度，与矩量法（mom）计算的统一模型 结果基本一致，但用时大大减少。最后以某大型战斗机上两天线间的耦合度为例，用逐级等 效法解决了这一其他算法在现有计算机配置下很难计算的问题。 关键词：电磁兼容；逐级等效法；耦合；复杂平台1.引言随着当今高科技的发展，对通信的需求日益增大，要求也越来越高，这使得电子系统工 作的电磁环境日益复杂，电子系统面临着电台、雷电和静电放电等自然界的干扰，也受到来 自其它系统的干扰。电子系统间电磁干扰重要传输途径之一是天线间的耦合，即一副天线发 射的电磁波被另一副天线接收，使得接收天线正常工作受到干扰，有时这种相互干扰会造成 很严重的后果。这种耦合的强弱程度常用耦合度来定量表征，其定义为一个天线发射功率与 另一个天线接收功率之比。针对本文讨论的复杂平台天线耦合度国内外也已经做了大量的研究。一般数值算法有矩 量法34、有限元法、有限时域差分法 56，高频算法如一致性几何绕射理论 7。对于 频率较低的短波天线，平台与波长相当,使用矩量法34计算较为合适。但是如果平台外型 复杂、电尺寸较大，要消耗大量的计算机内存，在一般计算机上难以计算。一致性几何绕射 理论 7 作为一种高频方法，它在电尺寸较大的问题时计算速度较快，但是utd计算精度 相对较低。本文在惠更斯原理和等效原理的基础上推导出一种解决复杂平台天线间耦合度的新方 法逐级等效法；从计算结果可以看出，与矩量法计算的统一模型结果基本一致，但用时 大大减少；最后用逐级等效法计算了某大型战斗机上两机载天线间的耦合度，结果对于机载 天线布局有重要意义。2.逐级等效法逐级等效法是基于惠更斯原理和等效原理89.由于电磁波满足矢量波方程-5-并矢格林函数则满足下列方程 e ( r ) k 2 e ( r ) = 0（2） g( r, r) k 2g( r, r) = i (r r)（3）ee用 ge ( r, r) 后点乘式（2），用 e ( r ) 前点乘式（3），相减后再体积 v 上积分，我们得到e(r) = dv e(r) ge (r, r) e(r ) ge (r, r)v最后可以得到（5）式（4）1本课题得到教育部新世纪优秀人才资助项目（批准号：nect-04-0950）的资助。e(r)i dsn h (r) ge (r, r )方程（5）表明，如果 s 上的 n e(r) 或 n h (r) 给定，则 e (r) 可以被确定。（5）依照上式，封闭面内的源的辐射简化为封闭面的辐射。求解封闭面的辐射，须先求得封 闭面上的场分布，然后按惠更斯原理，把封闭面分割为许多许多的小面元，根据面元上的场 求出每个面元的辐射，并在整个封闭面上进行积分，最后即可求得整个封闭面的辐射。当由封闭面求解辐射场时，面元上的磁场与电场可分别用等效电流元与等效磁流元来代 替，封闭面产生的辐射场就是封闭面上这些等效电流元与等效磁流元所产生的。这就是等效 原理。逐级等效法就是基于惠更斯原理和等效原理，把复杂平台的电磁场计算问题（如图 1）， 分成三部分（源区、过渡区、目标区）如图 2，然后对这三部分逐级等效计算（根据平台的 复杂程度和电尺寸大小，可以去除过渡区，只留源区和目标区；也可以把过渡区分成几部分， 逐级等效计算）。图 1 原始问题图 2 分区后问题图中 v 1 为源区，v 2 为过渡区，v 3 为目标区；s、s为两个封闭面，n 是封闭面 s 的外 法线单位矢量。gg根据等效原理，j s 和 j ms 是 v 1 区的等效源，而且ggj s = n h gg （6）j ms = n egggg式中 e 、h 是 s 面上原来的场。由上式确定的 j s 和 j ms 就是我们所要求的计算封闭面外电磁场的等效场电源。等效后如图 3 所示。图 3 等效第一步图 4 等效第二步gg得到等效的表面电流 j s 和表面磁流 j ms ，利用数值计算方法就可以对过渡区 v 2 内的数值模型进行数值计算，求得过渡区 v 2 中电磁场，从而得到封闭面 s上的电场和磁场；和上 面的等效过程一样，再应用等效原理，对过渡区 v 2 内的电磁场进行等效，如图 4。有了过gg渡区 v 2 的等效表面电流 j s 和表面磁流 j ms 和目标区 v 3 的数值模型，用数值计算方法可以求得目标区 v 3 的电磁场。最后根据目标区 v 3 的电磁场，求出接收天线的接收功率，就可 以得到耦合度。这样把复杂的数值计算逐级等效、逐级计算的方法就是逐级等效法。3.实例计算首先为了验证方法的正确性，使用逐级等效法结合矩量法计算一个简单平台上的两天线 间的耦合度金属圆柱体上两个对称阵子天线间的耦合度，其中金属圆柱长3m，半径0.75m，两天线相距2m，约5个波长的距离，发射天线频率为800mhz，接收天线频率为600mhz。先按照逐级等效法把模型分成3个区域，再逐级等效计算，最后计算结果和用时与 矩量法（mom）作了对比。如图6、表1所示。图 5 计算数值模型图 6 计算结果 表 1 用时对比计算方法ceamom源区过渡区目标区未知数量54565321561115730占用内存(gb)0.240.220.251.9用时(分钟)484253371总用时133371对于复杂平台天线间耦合度，以某大型战斗机为例，如图7，应用逐级等效法计算了机载两天线间的耦合度。战斗机机身长20m，翼展15m，机高6m。发射天线中心频率为200mhz， 安装在机背上；接收天线中心频率350mhz,安装在左尾翼上部。如果使用矩量法对统一模型 进行计算，那么整个飞机剖分后的剖分单元数为36766，最少需要10.8g内存，这在2g内存 的计算机上是无法计算的。使用逐级等效法以后，三部分模型中最大的剖分单元数为14124， 需要计算机内存为1.56g，在2g内存的计算机上可以使用矩量法计算模型。结果如图8所示。图 7 战斗机数值模型图 8 计算结果4.结束语基于惠更斯原理和等效原理推导出了一种解决复杂环境下电大尺寸问题的新方法 逐级等效法，通过计算实例可以得出一下结论：在天线环境复杂、电尺寸较大时，一般算法 在现有计算机配置下无法计算，而应用逐级等效法可以顺利解决这个问题。逐级等效法计算 结果和矩量法基本一致，但所用时间大大减少。最后使用逐级等效法结合矩量法解决了某大 型战斗机机载天线间耦合度计算问题，计算结果对机载天线布局有重要意义。参考文献1丁鹭飞,耿富录.雷达原理m.西安,西安电子科技大学出版社, 2002. 6:3-42yuanqing liu , jiansheng yuan. a finite element domain decomposition combined with algebraic multigridmethod for large-scale electromagnetic field computationj. ieee trans. magn,2006, vol. 42(2):655-658. 3 harrington r f. field computation by moment methodsj. indiana:macmillan, 1968: 73-96.4ali dagdeviren ,osman cerezci, fatih ustuner, et al.coupling on complex platforms:a comparison betweenbetween mom and mom/utd hybrid methodj. mathematical methods in electromagnetictheory,2006,june:26-29.5 j.byun,et al. fdtd analysis of mutual coupling between microstrip patch antennas on curved surfacec.ieee international symposium,1999,2:886-889.6张玉，朱培芸，梁昌洪. fdtd结合变分法计算线天线间耦合度j. 电子与信息学报.2006年2月，第28卷（第2期）：372-375.7 pathak p h, wang m n. ray analysis of mutual coupling between antennas on a convex surfacej. ieee trans. on ap, 1981, 29(6):911-922.8 wc chew. 聂在平, 柳清伙译,非均匀介质中的场与波m.北京,电子工业出版社，1992:23-27.9杨恩耀，杜如聪编. 天线m. 北京,电子工业出版社，1984:71-75.a new approach for computing the mutual coupling between antennas on complex circumstancechen zheng, xie yongjun, li jing, zhang junnational key laboratory of antennas and microwave technology, xidian university, xian, shaanxi, china (710071)abstractthe study of mutual coupling between antennas on complex platform have significant significance.based on thehuygens principle and equivalence principle, a new approach that takes up with solving large scale problems which suffers complex environment is discussed, we named this new approach as cascade equivalence approach (cea). compared the results computed by cea with that by method of moments (mom), they are consistent with each other. a didactic example is included to illustrate the approach, the cea approach combined method of moments (mom) is employed to solve the degree of coupling between two antennas that on a certain large-scale fighter plane which can hardly come true with other algorithms at currently computer configuration. keywords: emc; cascade equivalence approach (cea); mutual coupling; complex platform作者简介：陈政（1981-），男