[發明專利]一種基于球面波展開和源重構的天線輻射計算方法

有效

• 申請號: 202010173747.2
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111553046B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 趙華鵬;劉暢;胡俊
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 周劉英

本發明提供了一種基于球面波展開和源重構的天線輻射計算方法，該方法首先通過使用球面波展開法，只需半徑較大的采樣球面上較少數量的采樣點的輻射場，就能計算出半徑較小的數據球面上任意一點的輻射場，然后利用計算得到的數據球面上的輻射場重構出分布在惠更斯面上的等效源，最后，通過計算等效源在空間中產生的輻射場得到待測天線在空間中實際產生的輻射場。本發明通過引入數據球面將球面波展開法和源重構法相結合，充分發揮出球面波展開法采樣點數少、計算量小和源重構法計算區域大、適用性強的優勢，用以克服球面波展開法部分區域無法計算以及源重構法計算量過大、計算時間過長的問題。

技術領域

本發明涉及計算電磁學領域，具體涉及一種基于球面波展開和源重構的天線輻射計算方 法。

背景技術

在天線測試中，為了讓天線滿足應用場景的需求，總希望能知道天線產生的電磁輻射， 以便進一步對天線進行改進和優化。為了得到天線在周圍空間產生的電磁輻射，最直接的方 法是以一定的間隔對空間中的電磁場進行采樣測量，從而得到整個空間中的電磁場分布。但 直接測量的缺點非常明顯，需要耗費大量的人力成本和時間成本，并且未采樣點的電磁場只 能通過插值近似得到，可能具有較大的誤差。為了改進這種方法的缺陷，通常只對空間中的 一小部分點的電磁場進行采樣，然后使用計算電磁學的方法計算得到空間中其他點的電磁場。 常見的方法有兩種：球面波展開法和源重構法。

球面波展開法是由矢量波動方程(亥姆霍茲方程)推導得出的，由于無源區的電磁場一 定滿足矢量波動方程，因此在無源區的任意球面上對矢量波動方程求解，就可以得到一系列 球面波本征模式。無源區中的輻射電磁場都可以利用球面波本征模式進行展開，不同場點處 電磁場展開后同一球面波本征模式的波展開系數是相同的。由于待測試天線的工作頻率和尺 寸都是已知的，因此空間中任意一點的球面波本征模式都可以直接計算得到。將若干個采樣 點處的電磁場進行模式展開后，就能利用同一球面波本征模式的波展開系數相同的特性計算 出波展開系數。得到波展開系數之后，代入空間任意一點處電磁場的球面波模式展開表達式 中，就能直接計算出該點的電磁場。球面波展開法的缺點是只能計算包圍天線的最小球面之 外的區域內的電磁場分布，天線與最小球面之間區域的電磁場分布無法計算，只能通過測量 得到，但由于測量探頭較為靠近天線時，探頭本身會對電磁場的分布產生較大的干擾，導致 測量結果誤差較大，因此最小球面內的電磁場分布難以準確得到。

源重構法的基礎是等效源原理。在電磁場問題中，真實源的分布特性通常是未知或者非 常復雜的，此時為了求解空間中的電磁場，可以引入等效源代替真實源，等效源與真實源產 生的電磁場是相同的，因此可以計算等效源產生的電磁場來得到空間中的電磁場分布，這就 是等效源原理。由于等效源是由一些電流和磁流組成的，因此輻射電磁場的計算量和計算難 度大為減小。根據等效源的分布特性，可以將等效源分為面源和體源。在源重構法中，等效 源分布在包圍真實源的惠更斯面上，因此是面等效源。源重構法是利用采樣點處的電磁場重 構出分布在包圍真實源的惠更斯面上的等效源，然后計算等效源產生的電磁場，就能得到空 間中實際的電磁場分布。由于面等效源是由電磁場的邊界條件推導得出的，對包圍真實源的 惠更斯面的形狀沒有要求，因此惠更斯面可以是任意形狀的。如果根據待測天線外表面的形 狀改變惠更斯面的形狀使得惠更斯面緊貼天線的外表面，那么待測天線外整個空間的電磁場 分布都可以計算得到。源重構法的缺點是計算量較大，當待測天線的尺寸較大或者采樣面與 天線的距離較遠時，數據量非常龐大，計算時間很長，且需要計算機擁有很大的內存，方法 的可行性不高。

可見，傳統的方法都具有一定的局限性，球面波展開法無法得到最小球面內的電磁場分 布，源重構法無法處理規模較大的問題，在實際的天線測試中這兩種方法都難以滿足需求。

發明內容

本發明的目的是針對上述兩種方法的局限性，提出一種基于球面波展開和源重構的天線 輻射計算方法，將球面波展開法和源重構法結合起來，充分利用球面波展開法計算量較小和 源重構法計算范圍更廣的優勢，避開兩種方法的局限性，得到一種兼具兩種傳統方法優勢的 方法，使其可行性更強，適用范圍更廣，更好地滿足天線測試的需求。