申请/专利权人：中国人民解放军63660部队

申请日：2022-04-21

公开（公告）日：2024-04-19

公开（公告）号：CN114896868B

主分类号：G06F30/27

分类号：G06F30/27;G06F17/10;G06F119/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.19#授权;2022.08.30#实质审查的生效;2022.08.12#公开

摘要：本发明提供一种超宽谱电磁脉冲辐射Vivaldi天线阵列辐射场预估方法，属于天线技术领域。本发明通过对天线电流分布进行简化等效，将阵元Vivaldi天线等效为具有相同渐变形式的曲线辐射器，采用理论方法获得天线辐射电场各方向分量的频域形式，并由数值积分计算得到电场时域波形，进而通过空间叠加原理实现对以Vivaldi天线为阵元的大规模超宽谱电磁脉冲阵列天线辐射场的预估。本发明通过预估阵列天线不同布局下的辐射场特性，无需数值模拟和实验测量，以较短时间、较小工作量、较低成本为阵列天线组阵设计、布局优化等提供指导和参考，有效解决同类型大型超宽谱电磁脉冲阵列天线辐射场计算和预估难题，还可通过反演激励延时序列帮助完成阵列天线波束赋形设计。

主权项：1.一种超宽谱电磁脉冲辐射Vivaldi天线阵列辐射场预估方法，其特征在于，包括如下步骤：S1确定阵元天线结构尺寸所述阵元天线为Vivaldi天线，天线喇叭状开口指向x轴正方向，喇叭状开口宽度方向为y方向，天线介质基板厚度方向为z方向；天线喇叭状开口宽度为w，构成喇叭状开口的渐变曲线沿x方向的长度为ls，构成天线喇叭状开口的渐变曲线方程为y＝±fx；所述阵元天线为对跖Vivaldi天线时，给定馈电结构微带线导带宽度wd；所述阵元天线为共面Vivaldi天线时，给定喇叭状开口位置处的缝隙宽度ws；S2构建阵列天线，给定阵列天线的规模、布局、待预估辐射场的场点位置坐标所述阵列天线由n×m个S1中的阵元天线构成，y方向排列n个，n个阵元处于同一个平面上；z方向排列m个，y方向阵元间距为dE，z方向阵元间距为dH；所述y方向阵元间距dE为相邻两个阵元天线喇叭状开口中点之间的距离与天线开口宽度w的差值；所述z方向阵元间距dH为相邻两个阵元天线所在平面之间的垂直距离；所述的场点位置坐标是相对于阵列天线口面中心的三维坐标，采用x,y,z表示；S3给定阵列天线激励波形，阵列天线激励方式所述阵列天线各阵元的激励波形一致，均为超宽谱高压脉冲，激励波形为ut，激励波形上升沿时间为tur；所述阵列天线激励方式包括两种，同步激励与延时激励；所述同步激励为所有阵元天线同时由超宽谱高压脉冲进行激励；所述延时激励为阵列中各阵元天线的激励存在相对延时，延时激励时给定各阵元之间的相对延时序列tdi，当同步激励时，tdi＝0；S4计算阵元天线的辐射场S4.1将S1中所述阵元Vivaldi天线等效为处于同一个xoy平面的曲线辐射器，并由曲线频域电流分布获得曲线电流在x，y两个方向的电流分量表达式；所述曲线辐射器为构成阵元Vivaldi天线喇叭状开口的上下对称的两条渐变曲线，并将曲线置于同一个xoy平面上；所述曲线辐射器两条渐变曲线方程为ys＝±fxs，为区分源点坐标和场点坐标，源点坐标均添加下标s作为标识；起始点位置纵坐标分别为ys1和-ys1，横坐标均为0；末端纵坐标分别为w2和-w2，横坐标均为ls；所述曲线辐射器两条渐变曲线的起始点位置纵坐标视天线类型而定，当天线为对跖Vivaldi天线时，渐变曲线起始端纵坐标分别为-wd2和wd2，即ys1＝-wd2；当天线为共面Vivaldi天线时，渐变曲线起始端纵坐标分别为ws2和-ws2，即ys1＝ws2；为不失一般性，后续上下渐变曲线起始端与末端纵坐标仍然采用ys1、-ys1和ys2、-ys2表示；所述曲线辐射器上下两条对称的渐变曲线频域电流分布为， 式中，Uω为S3中激励波形的频谱，Z0为馈电端特性阻抗，由二者可得I0ω，k＝ωc为波数，s为曲线上任意位置与该曲线起始端之间的弧长，需沿曲线进行积分获得，L为电流流经单条曲线的总路径长度，即单条曲线的总弧长，Γ2＝-1为曲线末端的反射系数，为曲线馈电端的反射系数，为曲线上任意位置处切线方向的单位向量；所述x、y两个方向的电流分量为， 式中，θ为曲线上任意位置的切线与y轴正方向的夹角，并且规定，当θ无论是锐角或是钝角，在计算曲线电流y方向分量时，cosθ均取其绝对值，在计算曲线电流x方向分量时，当曲线末端纵坐标大于0即曲线大部分处于x轴之上时，sinθ取其绝对值，当曲线末端纵坐标小于0即曲线大部分处于x轴之下时，sinθ取其绝对值的负值；S4.2以S4.1中曲线辐射器所在坐标系为基准给出S2中阵列天线场点位置在该坐标系中的坐标，之后由S4.1中电流各方向分量积分计算该坐标系下场点位置的频域矢势，最后由矢势计算得到磁场各方向分量的频域形式便于表示起见，场点位置在曲线辐射器所在坐标系中的坐标仍采用x,y,z表示，其位置矢量为所述场点位置频域矢势各分量为， 式中，μ0为真空磁导率，R为场点位置与曲线上任意位置之间的距离，由下式计算， 所述场点位置磁场各方向分量的频域形式为， S4.3由S4.2中的磁场得到电场各方向分量的频域形式，并通过数值方法计算场点位置处电场各方向分量时域波形所述电场各方向分量的频域形式为， 式中，ε0为真空介电常数，二阶偏微分的典型计算如下，其他偏微分可按照典型计算通过更改变量得到； S5计算阵列天线各阵元在S2中场点位置处的辐射场，并进行空间叠加获得阵列天线辐射场所述阵列天线各阵元在场点位置的辐射场按照S4进行计算，计算过程中场点位置坐标x,y,z需根据阵列天线中各阵元的位置进行更新，并且各阵元的辐射场计算中；所述进行空间叠加获得阵列天线辐射场时，先根据S3中阵列天线的激励方式调整各阵元电场时域波形的时间延时，再进行叠加， 式中，为阵列天线在场点位置矢量处某个极化方向上的时域电场波形，N＝m×n为阵列天线中的阵元数目，为阵列中第i个阵元天线考虑延时激励后在场点位置处对应极化方向上的时域电场波形；S6根据实际预估需求，按照S5计算对应场点位置处主极化方向或其他极化方向上的电场时域波形；并通过变换不同场点位置，预估获得阵列天线远区E面、H面时域方向图。

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