可左右滑动选省市

双锥-平面线栅水平极化天线辐射场均匀区估算方法

更新时间:2024-07-01
双锥-平面线栅水平极化天线辐射场均匀区估算方法 专利申请类型:发明专利;
地区:陕西-西安;
源自:西安高价值专利检索信息库;

专利名称:双锥-平面线栅水平极化天线辐射场均匀区估算方法

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202210238385.X

专利申请(专利权)人:西北核技术研究所
权利人地址:陕西省西安市灞桥区平峪路28号

专利发明(设计)人:肖晶,吴刚,王海洋,谢霖燊

专利摘要:本发明公开了一种双锥‑平面线栅水平极化天线辐射场均匀区估算方法,包括如下步骤:确定双锥‑平面线栅天线内部均匀区高度h的范围;对于给定的h,计算双锥中心正下方距离地面高度为h位置辐射场的极化分量E1;设均匀区内所有位置辐射电场的幅值相对E1的最大衰减量为D dB,计算满足均匀区幅值要求的电场分量的最小值,记作E2;计算双锥中心正下方辐射场强为E2的点到双锥中心距离r2;计算点(0,0,h)到一侧极板的最短距离dr;计算参考距离阈值rt;确定均匀区的范围。所述方法可快速估计双锥‑平面线栅水平极化天线辐射场均匀区的大小,为电子系统电磁环境效应研究提供参考。

主权利要求:
1.一种双锥‑平面线栅水平极化天线辐射场均匀区估算方法,其特征在于包括如下步骤:确定双锥‑平面线栅天线内部均匀区高度h的范围;
对于给定的h,计算双锥中心正下方距离地面高度为h位置辐射场的极化分量E1;
设均匀区内所有位置辐射电场的幅值相对所述E1的最大衰减量为DdB,计算满足均匀区幅值要求的电场分量的最小值,记作E2;
计算双锥中心正下方辐射场强为E2的点到双锥中心距离r2;
计算点(0,0,h)到一侧极板的最短距离dr;
计算参考距离阈值rt;
确定均匀区的范围;
确定双锥‑平面线栅天线内部均匀区高度范围的具体方法如下:为了避免地面对该平面内辐射波前沿和半宽的影响,按清晰时间的定义,h应满足:
2h≥tw·v,即
8
其中,tw为激励信号的脉冲宽度,v是电磁波在空气中的传播速度,v=3×10m/s;
另外,考虑到天线结构空间的限制,h取值不应大于天线架高H0,即:h
对于给定的h,计算双锥中心正下方距离地面高度为h位置处辐射场的极化分量,记作E1,该点与圆锥中心的距离记作r1,r1+h=H0;
其中,V为施加在双锥‑平面线栅天线的激励电压峰值,Z为双锥平面线栅天线的特性阻抗,当锥天线锥角确定后,Z为一个常数;
设均匀区内所有位置辐射电场的幅值相对E1的最大衰减量为DdB,计算满足均匀区幅值要求的电场分量的最小值,记作E2;
计算双锥中心正下方辐射场强为E2的点到双锥中心距离r2,依据辐射场分布规律一,有:则:
依据辐射场分布规律二,在XOZ平面内,以双锥中心为原点,以r2为半径做一个圆弧,则圆弧上任意一点辐射场水平分量均相等;因此,如果不考虑两侧极板和周围环境的影响,距地面高度为h的水平面内满足辐射场峰值衰减量不超过DdB的区域为一个圆形区域,圆心位于双锥中心在该平面的投影点,半径按下式计算:计算点(0,0,h)到一侧极板的最短距离dr,dr由天线结构尺寸决定:计算参考距离阈值rt的具体方法如下:
为了避免两侧极板的反射对水平极化天线辐射场均匀区的影响,参考有界波模拟器中对有效工作空间的要求,即模拟器有效工作空间的高度不能超过测点所在极板间距离的2/
3;综合辐射电场分布和均匀区的对称性,可令:
其中,l为距地面高度为h的水平面内两侧极板之间的水平距离。
2.如权利要求1所述的双锥‑平面线栅水平极化天线辐射场均匀区估算方法,其特征在于:在XOZ平面内以双锥中心点为圆心,r为半径做一个圆弧,记双锥正下方且在圆弧上的点P水平分量场为Ex,圆弧上任意一点P1与圆锥轴线的夹角为θ,对应辐射电场记作Eθ,Eθ的水平分量为Ex1,设P1距离双锥中心的垂直距离为h1,则辐射场分布具有以下规律:辐射场分布规律一:当锥天线结构和激励电压确定时,双锥中心正下方测点辐射电场Y、Z分量均为0,极化分量X与测点到源的距离r0成反比,且极化分量场峰值可以按下式计算:其中,V为施加在双锥‑平面线栅天线的激励电压峰值,Z为双锥平面线栅天线的特性阻抗,当锥天线锥角确定后,Z为一个常数;
辐射场分布规律二:水平极化分量的取值与θ无关,电场水平分量的等值线为同心圆环;XOZ平面内圆弧上任意一点辐射电场的水平分量幅值都相等,并且由于圆弧上测点距激励的距离相等,辐射波到达峰值的时刻也相等,即:Ex1=Ex
辐射场分布规律三:XOZ面内同一水平线上各测点总辐射场大小相等,但方向不同,其方向为所在圆弧的切线方向,即:Eθ1=E'x1
其中,Eθ1为P1点总辐射场,P1’为P点在Z轴上的投影点,E’x1为P1’点处的水平分量场;
辐射场分布规律四:各分量场关于XOZ平面和YOZ平面对称分布;
辐射场分布规律五:同一水平面内,双锥中心正下方位置极化场分量最大,距离该位置越远,极化场分量幅值越小。
3.如权利要求1所述的双锥‑平面线栅水平极化天线辐射场均匀区估算方法,其特征在于确定均匀区的范围的方法如下:
1)若dr‑r3≥rt,则距离地面高度为h的水平面内辐射场幅值衰减不超过DdB的均匀区为圆心在双锥中心投影点,半径为r3的圆形区域;
2)若0
3)若dr‑r3<0,说明在仅考虑地面影响的条件下,距离地面高度为h的水平面上双锥‑平面线栅天线内部所有测点辐射场幅值衰减均未超过DdB,此时只需考虑两侧线栅极板对辐射场的影响;最终均匀区范围的确定方法与2)中相同,即双锥‑平面线栅天线内部均匀区为圆心在双锥中心投影点,半径为 的圆形区域。 说明书 : 双锥‑平面线栅水平极化天线辐射场均匀区估算方法技术领域[0001] 本发明涉及电性能的测试装置技术领域,尤其涉及一种双锥‑平面线栅水平极化天线辐射场均匀区估算方法。背景技术[0002] 辐射场均匀区域的大小是模拟器的一项重要指标,确定场均匀区的范围是电磁环境效应研究的基础,只有掌握模拟器空间场的分布,为效应物提供均匀的场空间,才能保证效应实验中数据获取和分析的准确性、有效性和可靠性。[0003] 国际电工技术委员会标准IEC61000‑4‑32和美军标MIL‑STD‑461F对模拟器场均匀性的定义为:在整个测试区内,各位置上主场分量脉冲峰值的最小值和最大值之比要满足一定的百分比,并且次场分量与主场分量之比也要小于一定值。在瞬变电磁脉冲辐射敏感度测试试验(RS105)中,通常选择平面内按一定规律排布的5个位置分别进行测量,并将场幅值变化在0~6dB范围内的区域视为均匀区。然而,上述5个位置的选择缺乏理论依据,加之模拟器结构也会对辐射场产生一定影响,实际试验时往往需要布置大量测点来获取场的分布规律。而且,在对次场分量要求较高的场合,还需要同时对三个方向的场分量进行测量,大大增加了工作量。更重要的是,RS105试验均匀区的测试方法针对的是波导式器件(如带状线、TEM小室等),辐射系统按频点进行扫描测试。辐射式电磁脉冲模拟器产生瞬态电磁脉冲场,单次脉冲包含了从低频到高频的大量频点,上述均匀性测试方法能否直接应用还有待进一步论证。另外,当模拟器类型改变时,辐射场分布规律也会发生变化,这就要求场均匀区的计算和测试方法要与模拟器的类型相适应。发明内容[0004] 本发明所要解决的技术问题是如何确定双锥‑平面线栅天线辐射场均匀区域的范围。[0005] 为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:一种双锥‑平面线栅水平极化天线辐射场均匀区估算方法:[0006] 设双锥‑平面线栅天线的双锥中心距地面高度为H0,两侧极板间的距离为L,单侧极板宽度为w,双锥锥顶间的距离为d0,在场分布规律的基础上,距离地面高度为h的水平面内双锥‑平面线栅天线的均匀区的范围可以按以下方法计算:[0007] Step1:确定天线内部均匀区高度h的范围。为了避免地面对该平面内辐射波前沿和半宽的影响,按清晰时间的定义,h应满足:[0008] 2h≥tw·v,即[0009] 其中,tw为激励信号的脉冲宽度,v是电磁波在空气中的传播速度,一般地v=3×810m/s。另外,考虑到天线结构空间的限制,h取值不应大于天线架高,即:[0010] h[0011] Step2:对于给定的h,计算双锥中心正下方距离地面高度为h位置(坐标为(0,0,h))辐射场的极化分量,记作E1,该点与双锥中心的距离记作r1,很明显,r1+h=H0;[0012][0013] 其中,V为施加在双锥‑平面线栅天线的激励电压峰值,Z为双锥平面线栅天线的特性阻抗,当锥天线锥角确定后,Z为一个常数。[0014] Step3:设均匀区内所有位置辐射电场的幅值相对E1的最大衰减量为D(单位为dB),计算满足均匀区幅值要求的电场分量的最小值,记作E2;[0015][0016] Step4:计算双锥中心正下方辐射场强为E2的点到双锥中心距离r2;依据辐射场分布规律一,有:[0017][0018] 则:[0019][0020] 依据辐射场分布规律二,在XOZ平面内,以双锥中心为原点,以r2为半径做一个圆弧,则圆弧上任意一点辐射场水平分量均相等。[0021] 如果不考虑两侧极板和周围环境的影响,依据辐射场分布规律二,距地面高度为h的水平面内满足辐射场峰值衰减量不超过DdB的区域为一个圆形区域,圆心位于双锥中心在该平面的投影点,半径按下式计算:[0022][0023] Step5:计算点(0,0,h)到一侧极板的最短距离dr,dr由天线结构尺寸决定;[0024][0025] Step6:计算参考距离阈值rt。为了避免两侧极板的反射对水平极化天线辐射场均匀区的影响,参考有界波模拟器中对有效工作空间的要求,即模拟器有效工作空间的高度不能超过测点所在极板间距离的2/3。对于本发明讨论的双锥‑平面线栅天线,综合辐射电场分布和均匀区的对称性,可令:[0026][0027] 其中,l为距地面高度为h的水平面内两侧极板之间的水平距离。[0028] Step7:确定均匀区的范围。[0029] (1)若dr‑r3≥rt,则距离地面高度为h的水平面内辐射场幅值衰减不超过DdB的均匀区为圆心在双锥中心投影点,半径为r3的圆形区域;[0030] (2)若0[0031] (3)若dr‑r3<0,说明在仅考虑地面影响的条件下,距离地面高度为h的水平面上双锥‑平面线栅天线内部所有测点辐射场幅值衰减均未超过DdB,此时只需考虑两侧线栅极板对辐射场的影响。最终均匀区范围的确定方法与(2)中相同,即双锥‑平面线栅天线天线内部均匀区为圆心在双锥中心投影点,半径为 的圆形区域。[0032] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于:所述方法通过计算确定双锥‑平面线栅天线内部一定高度上辐射电场衰减量满足规定数值的区域的大小,该方法无需架设天线并测量大量辐射电场,可快速估计双锥‑平面线栅天线辐射均匀区的大小,为电子系统电磁环境效应研究提供了参考。附图说明[0033] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。[0034] 图1是本发明实施例中分量场计算的示意图;[0035] 图2是双锥‑平面线栅天线辐射场均匀区域的计算流程图;[0036] 图3a是双锥‑平面线栅天线的正视结构示意图;[0037] 图3b是双锥‑平面线栅天线的俯视结构示意图;[0038] 图4是双锥‑平面线栅水平极化天线的模型;具体实施方式[0039] 下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。[0040] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。[0041] 申请人研究发现,双锥‑平面线栅水平极化天线辐射场分布遵循以下规律:[0042] 建立图1所示的坐标系,并在XOZ平面内以双锥中心点为圆心,r为半径做一个圆弧,记双锥正下方且在圆弧上的点P水平分量场为Ex,圆弧上任意一点P1与圆锥轴线的夹角为θ,对应辐射电场记作Eθ,Eθ的水平分量为Ex1,设P1距离双锥中心的垂直距离为h1,则辐射场分布具有以下规律:[0043] 辐射场分布规律一:当锥天线结构和激励电压确定时,双锥中心正下方测点辐射电场Y、Z分量均为0,极化分量X与测点到源的距离r0成反比,且极化分量场峰值可按下式计算得到:[0044][0045] 其中,V为施加在双锥‑平面线栅天线的激励电压,Z为双锥平面线栅天线的特性阻抗,当锥天线锥角确定后,Z为一个常数,r为双锥中心到观测点的距离。[0046] 辐射场分布规律二:水平(极化)分量的取值与θ无关,电场水平分量的等值线为同心圆环;XOZ平面内圆弧上任意一点辐射电场的水平分量幅值都相等,并且由于圆弧上测点距激励的距离相等,辐射波到达峰值的时刻也相等。即:[0047] Ex1=Ex(2)[0048] 辐射场分布规律三:XOZ面内同一水平线上各测点总辐射场大小相等,但方向不同,其方向为所在圆弧的切线方向。即:[0049] Eθ1=E'x1(3)[0050] 其中,Eθ1为P1点总辐射场,P1’为P点在Z轴上的投影点,E’x1为P1’点处的水平分量场。[0051] 辐射场分布规律四:各分量场关于XOZ平面和YOZ平面对称分布。[0052] 辐射场分布规律五:同一水平面内,双锥中心正下方位置极化场分量最大,距离该位置越远,极化场分量幅值越小。[0053] 由此,本发明提出了一种双锥‑平面线栅水平极化天线辐射场均匀区估算方法,如图2所示,具体方法如下:[0054] 设双锥中心距地面的高度为H0,两侧极板间的距离为L,单侧极板宽度为w,双锥锥顶间的距离为d0,其结构示意图及所建坐标系如图3a‑图3b所示,图中灰色矩形区域为最终计算得到的双锥‑平面线栅天线辐射场均匀区的范围。在场分布规律的基础上,距离地面高度为h的水平面内双锥‑平面线栅天线的均匀区的范围可以按以下方法计算:[0055] Step1:确定双锥‑平面线栅天线内部均匀区高度的范围。为了避免地面对该平面内辐射波前沿和半宽的影响,按清晰时间的定义,h应满足:[0056] 2h≥tw·v,即[0057] 其中,tw为激励信号的脉冲宽度,v是电磁波在空气中的传播速度,一般地v=3×810m/s。[0058] 另外,考虑到天线结构空间的限制,h取值不应大于天线架高,即:[0059] h[0060] Step2:对于给定的h,计算双锥中心正下方距离地面高度为h位置(坐标为(0,0,h))辐射场的极化分量,记作E1,该点与圆锥中心的距离记作r1,很明显,r1+h=H0;[0061][0062] 其中,V为施加在双锥‑平面线栅天线的激励电压峰值,Z为双锥平面线栅天线的特性阻抗,当锥天线锥角确定后,Z为一个常数。[0063] Step3:设均匀区内所有位置辐射电场的幅值相对E1的最大衰减量为D(单位为dB),计算满足均匀区幅值要求的电场分量的最小值,记作E2;[0064][0065] Step4:计算双锥中心正下方辐射场强为E2的点到双锥中心距离r2。依据即辐射场分布规律一,有:[0066][0067] 则:[0068][0069] 依据辐射场分布规律二,在XOZ平面内,以双锥中心为原点,以r2为半径做一个圆弧,则圆弧上任意一点辐射场水平分量均相等。[0070] 如果不考虑两侧极板和周围环境的影响,依据辐射场分布规律二,距地面高度为h的水平面内满足辐射场峰值衰减量不超过DdB的区域为一个圆形区域,圆心位于双锥中心在该平面的投影点,半径按公式(10)计算:[0071][0072] Step5:计算点(0,0,h)到一侧极板的最短距离dr,dr由天线结构尺寸决定。[0073][0074] Step6:计算参考距离阈值rt。为了避免两侧极板的反射对水平极化天线辐射场均匀区的影响,参考有界波模拟器中对有效工作空间的要求,即模拟器有效工作空间的高度不能超过测点所在极板间距离的2/3。对于本发明讨论的双锥‑平面线栅天线,综合辐射电场分布和均匀区的对称性,可令:[0075][0076] 其中,l为距地面高度为h的水平面内两侧极板之间的水平距离。[0077] Step7:确定均匀区的范围。[0078] (1)若dr‑r3≥rt,则距离地面高度为h的水平面内辐射场幅值衰减不超过DdB的均匀区为圆心在双锥中心投影点,半径为r3的圆形区域;[0079] (2)若0[0080] (3)若dr‑r3<0,说明在仅考虑地面影响的条件下,距离地面高度为h的水平面上双锥‑平面线栅天线内部所有测点辐射场幅值衰减均未超过DdB,此时只需考虑两侧线栅极板对辐射场的影响。最终均匀区范围的确定方法与(2)中相同,即双锥‑平面线栅天线天线内部均匀区为圆心在双锥中心投影点,半径为 的圆形区域。[0081] 为使问题聚焦于天线本身,仿真时将实际脉冲源与双锥天线的设计简化为直接在双锥顶点处通过离散端口向天线施加激励,所加激励表达式为:[0082] U(t)=kV0(e‑αt‑e‑βt)(13)[0083] 式(13)中,k是补偿系数。当V0=50kV,α=4.0×107s‑1,β=6.0×108s‑1,k=1.3时,激励的上升沿约为2.5ns(10%~90%),脉冲半高宽约为23ns,并且在约4.8ns时脉冲达到峰值。[0084] 令圆锥半锥角为32°(此时Z=150Ω),圆锥底面半径为1.25m,双锥锥顶间距为2cm,双锥中心距离地面的高度为10m,单侧极板宽度取48m,两个线栅极板之间的距离为32m。每根金属拉线在距离地面1m处经负载接地,并保证单侧极板所接负载的等效阻值为75Ω。图4为在CST软件中建立的双锥‑平面线栅天线的模型,模型坐标原点为双锥中心在地面的投影。[0085] 仿真边界条件设为“Open(addspace)”,为提高仿真效率,依据双锥‑平面线栅天线的几何对称关系和辐射场的对称关系将XOZ平面设为电壁,将XOZ平面设为磁壁。频率范围取0~200MHz,并按照每个波长20个网格进行网格剖分。[0086] Step1:确定双锥‑平面线栅天线内部均匀区高度h的范围。为了避免地面对该平面内辐射波前沿和半宽的影响,按清晰时间的定义,h应满足:[0087] 2h≥tw·v,即[0088] 另外,考虑到天线结构空间的限制,h取值不应大于天线架高,即:h[0089] 因此,下面以距离地面5m高水平面为例,估计该平面上均匀区范围。[0090] Step2:计算双锥中心正下方距离地面高度为h=5m位置(坐标为(0,0,5))辐射场的极化分量E1,该点与圆锥中心的距离记作r1,r1=5m。[0091][0092] Step3:设均匀区内所有位置辐射电场的幅值相对E1的最大衰减量为3dB,确定满足均匀区幅值要求的电场分量的最小值E2:[0093][0094] Step4:计算双锥中心正下方辐射场强为E2的点到双锥中心距离r2。[0095][0096] 在XOZ平面内,以双锥中心为原点,以r2为半径做一个圆弧,则圆弧上任意一点辐射场水平分量均相等。[0097] 如果不考虑两侧极板和周围环境的影响,依据辐射场分布规律,距地面高度为5m的水平面内满足辐射场峰值衰减量不超过3dB的区域为一个圆形区域,圆心位于双锥中心在该平面的投影点,半径为:[0098][0099] Step5:计算点(0,0,5)到一侧极板的最短距离dr,dr由天线结构尺寸决定。[0100][0101] Step6:计算参考距离阈值rt。为了避免两侧极板的反射对水平极化电磁脉冲模拟器实验区域辐射场的影响,参考有界波模拟器中对效应物尺寸的要求,即模拟器有效工作空间的高度不能超过测点所在极板间距离的2/3。对于本发明讨论的双锥‑平面线栅天线,综合辐射电场分布和均匀区的对称性,可令[0102][0103] Step7:确定均匀区的范围。[0104] 由于dr‑r3=3.1m,满足条件dr‑r3>rt,则距离地面高度为h的水平面内辐射场幅值衰减不超过DdB的均匀区为圆心在双锥中心投影点,半径为4.9m的圆形区域。[0105] 为了验证本申请计算结果的准确性,利用CST电磁仿真软件建立了典型结构的双锥‑平面线栅天线,实际估计场均匀区的范围。分别在5m高水平面上沿X轴和Y轴正向按一定间隔布置若干测点,监测辐射场随位置变化的情况。表1给出了几个测点极化分量场的峰值及其相对该平面中心点幅值的衰减量。可以看出,当测点沿X轴(或Y轴)与中心点的距离为5m时,峰值衰减量为3dB,而按本发明提出的方法计算得到的5m高水平面上辐射场幅值衰减小于3dB的均匀区的半径为4.9m的圆形区域。可见,理论计算给出的结果与仿真测量得到的均匀区范围一致。[0106] 表1距地面5m高水平面上几个测点极化分量场的峰值及衰减量[0107](X,Y)(m) 峰值(V/m) 衰减量(dB)(0,0) 4111 0(2,0) 3788 0.7(3,0) 3503 1.4(4,0) 3209 2.2(5,0) 2896 3.0(0,2) 3772 0.7(0,3) 3498 1.4(0,4) 3153 2.3(0,5) 2899 3.0(3,4) 2893 3.0

专利地区:陕西

专利申请日期:2022-03-10

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN114880834B

电话咨询
读内容
搜本页
回顶部