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复杂舰船环境的近场耦合方法
Patrick Deschenes, Martin Coulombe, Robert Paknys, Amy R. Pinchuk#1#2*3#4
内野科学公司。
加拿大魁北克省，H9R 1A3, point - claire, Labrosse大道171号
1 patrick@infieldscientific.com
2 martin@infieldscientific.com a.pinchuk@ieee.org4
*康科迪亚大学，蒙特利尔电气工程系，QC, H3G 1M8，加拿大robert.paknys@concordia.ca3
摘要:
本文介绍了一种基于Hu公式[1]求解近场耦合的方法，并将其应用于复杂的海军舰艇电磁环境中，发射天线、接收天线和障碍物都可能位于近场中。该方法适用于基于边界值的计算电磁软件包，克服了在使用孔径照明天线模型时无法计算接收功率的缺点。
一、背景
在海军舰船环境中，上层甲板系统、结构和障碍物通常位于天线的近场区。在不知道天线内部几何形状和只提供有限信息的情况下，天线之间的耦合计算可能是一项复杂的任务，特别是在远场近似无效的情况下。此外，由于定向天线的复杂性和专有信息的限制，精确的定向天线模型并没有得到广泛的应用。
在不知道内部几何形状(散热器组件、馈电等)的情况下，模拟发射天线主波束的一种公认的做法是通过其孔径照明[2]、[3]对天线进行建模。利用计算电磁软件(CEM)，如FEKO[4]，利用孔径照明对发射天线进行建模是很简单的。遗憾的是，大多数基于边界值的软件包不能使用孔径照明来获得源-受害者耦合计算通常需要的接收信号。
一种可能的解决方案是使用概念上类似于点光源的理想接收器。从所研究天线的模拟辐射图中得到了理想的接收机特性。然而，作者使用这种方法进行的验证试验表明，精度强烈地依赖于理想接收机在天线几何形状中的精确位置。某些理想的接收位置不接收功率，而其他位置接收峰值耦合功率。由于此位置是任意的，因此不可能预测或限制任何给定结果的准确性。
此外，一个理想的接收机本质上是基于所有的障碍物和发射机在接收天线的远场，这通常不是在船上应用的情况。因此，需要一种考虑天线近场响应的耦合分析方法。
为了解决这一问题，Infield Scientific公司与肯考迪亚大学的Robert Paknys教授开发了一种近场耦合方法(NFCM)。基于公式[1]，在可能存在障碍物的共享环境中，利用发射天线和接收天线的发射场可以计算出天线的近场耦合。
下一节提供有关船舶电磁环境的信息，近场耦合法就是为这种环境而发展起来的。接下来是对该技术的解释，以及验证实例和实际的船舶应用。
二、海军舰艇平台总揽
在这篇文章和我们的同伴论文[5]中描述的分析被要求支持加拿大军队哈利法克斯级护卫舰的中期寿命改装，图1。船长134.1米，梁长16.4米。露天甲板天线场由大约70个天线组成，覆盖从高频(HF)到40 GHz的频率范围。系统之间存在不可避免的频谱重叠，为了缓解电磁干扰(EMI)问题，需要对干扰源进行耦合分析。
图1加拿大军队哈利法克斯级护卫舰的计算模型
三、近场耦合方法说明
近场耦合方法采用Hu公式[1]计算耦合:
（1）
(1)
·是天线1或2接收的功率。
·Pt是由天线2或1发射的功率。
·E1, H1为假设为发射的天线1产生的场。
·E2、H2为假设发射的天线2产生的场。
·S0可以是分离两个天线的任何表面。
·是常量。
·Pt1和Pt2分别为天线1和2发射的功率，因此
（2）
和
（3）
bull;S1是天线1的孔径。是孔径的外法线。
bull;天线2有孔径S2和外法线。
Hu公式是有用的，因为它从两个天线的发射特性中推导出任意一个天线接收的功率P，而不需要明确地要求它们的接收特性。r这是耦合分析的关键，因为CEM软件包能够使用孔径照明来建模天线作为发射机;然而，他们却无法将他们塑造成接受者。Hu方法基于互反定理，形式上是精确的。
共享电磁(EM)场平面S，此后被称为Hu平面，可以设置在两个天线之间的任何地方，只要耦合能量通过Hu平面。
通常，NFCM需要两个模拟来计算Hu平面上的场分布:假设每个天线都在发射，则每个天线需要一个模拟。例如，如果Hu平面与天线1的光圈重合，那么由于天线1的作用，共享平面上的场分布就不需要进行仿真，因为它等于天线1的已知光圈照度。唯一需要的仿真是计算天线2在Hu平面上的发射场分布。这为了减少所需的模拟次数，将Hu平面直接放置在一个天线孔径上的简化技术可用于大部分耦合计算。
应该注意的是，上述简化将固有孔径场假设(n377q 和平面波)引入到 Hu 公式的一部分，否则这部分公式将是精确的。 这只会在孔径场严重失真的情况下引入误差，在这种情况下，孔径照明模型很可能不适用。 尽管如此，通过将 Hu 平面定位在与天线孔径之一重合的位置以外的位置，并运行两个仿真计算每个发射天线的场分布，可以避免这种不确定性。
四、验证的例子
通常，我们对天线的信息是有限的，例如它的波束宽度、方向性和旁瓣电平。在这种情况下，孔径模型是最好的方法。接受这一限制，NFCM允许我们在任何使用孔径照明建模的天线或其中一个或两个天线的分离处来计算天线的耦合。它克服了Friis公式和理想点源接收机的近场误差问题。下面的示例说明了NFCM的使用，并将其结果与其他解决方案方法进行比较，以便进行验证。
A.同口径天线
第一个例子是计算两个相同的孔径天线之间的耦合操作3 GHz的频率(波长lambda;= 0.1米)。一个光圈位于z = 0,和面向这样minus;/ 2le;le;x / 2,minus;b / y 2le;le;b / 2。孔径大小为atimes;b = 1 mtimes;0.5 m。在不失一般性的前提下，假设孔径场为y极化，振幅和相位均匀。这给出了一个大约28 dBi的指向性和一个-13 dB的旁瓣电平。这是一个巨大的天线(10lambda;times;5lambda;) z方向的窄波束和高收益。第二相同的光圈位于其中心(x, y, z) = (0,0, d)处，其主波束指向第一天线的- z方向。目标是计算两个天线之间的耦合。
耦合计算最简单的解决方案是使用Friis公式，
（4）
(4)
其中发射增益和接收增益分别为。远场距离为20米;当d lt; 20 m时，Friis公式开始失效。
为了实现Hu公式和NFCM，可以方便地将天线1孔径S1和Hu平面放在同一个位置，z = 0。然后, 。
根据文献 [3]的方法,我们假设一个 具有， E0 = 1 V/m and eta; asymp; 377 Omega;。因为Hu耦合面在z = 0处，可以利用天线1的孔径场来近似Hu平面上的场分布。
天线2可以用一个孔径来模拟，由于天线2是发射的，所以CEM模拟器可以很容易地计算出与天线1的孔径一致的Hu平面上的点的发射场E。22 0 1
Hu积分(1)可以用数值方法计算。就我们的目的而言,41个样本x和y 21个样本(即lambda;/ 4采样)提供足够的精度。较粗的采样可能导致在极小的天线间距(小于0.05 m)的误差。
结果如图2所示。如预期的那样，当天线非常接近时，耦合接近0 dB。弗里斯公式在d = 10米左右开始分解。Friis和NFCM方法在远场、d gt; 20 m处的一致性非常好。
耦合(dB)
d
图2所示。两个孔的耦合- Friis vs Hu公式。
图2 两种方法的耦合关系——弗里斯和胡公式
B.孔径和偶极子阵列
另一个模拟，使用NFCM，实现了验证其使用典型的舰载天线。这一次耦合是在自由空间中的一个孔径照明和一个多端口天线之间，如图3所示。NFCM方法自然地从这扩展到现实的船上环境及其周围的障碍。
模拟孔径，如图4所示,是一个敌我识别天线(1)，天线使用~ 0.1lambda;间距(2.4 mtimes;0.48 m, N = 83, m = 17)。用于宽度和高度的余弦锥度函数分别为2和2.27。
多端口天线，如图4所示，是一个通信链路偶极子阵列(天线2)，具有足够的信息来建立一个综合模型。
这两种系统都假定在1.03 GHz下运行。在本例中，为了正确地验证NFCM，使用了三种技术。耦合结果的比较如表1所示。
IFF询问器的远场区域约为9.89米，而通信链路天线的远场区域约为5.21米。两个天线中心之间的舰载距离为10.44米。在这个距离，两个天线都在它们的远场区域。
图3所示。用于验证从一个孔径(天线1)到一个多端口天线(天线2)的NFCM的设置。
图4所示。孔径(天线1)和多端口天线(天线2)。
第一种技术使用感应段电流法(ISCM)，当天线的综合模型(包括接收端口)可用时，可以使用大多数CEM软件来实现。ISCM计算天线模型中每个线段上的感应电流，然后利用该电流计算天线端口接收到的功率。在本例中，ISCM用于计算从IFF询问器光圈到通信链路天线的耦合。为此，利用IFF询问器孔径模型对通信链路天线的32个偶极子段进行激励，计算每个偶极子中心的电流，得到耦合功率。其中，功率传递(P)可由接收天线端口感应电流(I)和连接负载电阻(R)[6]计算得到:
(5)
（5）
当负载(ZL= RL XL)与天线的共轭阻抗(ZA= RA XA，其中RA= RL, XA= -XL)相对应时，将产生最大的传递耦合功率。为了得到ZA，需要一个单独的模拟。A
第二种解决方案技术使用理想的接收天线(概念上类似于点源)来替代通信链路天线。为此，在自由空间中单独模拟通信链路天线，以生成描述理想接收天线所需的远场模式文件。然后，使用IFF询问器光圈和位于通信链路天线位置中心的理想接收天线进行仿真。同样的技术被重复使用，理想的接收机取代了IFF询问器天线而不是通信链路。
第三种技术使用Friis方程(4)，只使用每个天线指定仰角的增益值和它们之间的距离:
G1(朝向天线2中心)= 17.13 dBi ，G2(朝向天线1中心)= -12.99 dBi
最后，将前面三种技术与NFCM进行了比较。为了实现NFCM, Hu平面与IFF询问器光圈放置在一起。然后，以通信链路模型进行仿真，计算得到的Hu平面上的E、H场值。这些值连同IFF询问器的光圈照明E和H的值被输入到一个内部程序中，该程序通过Hu积分的数值计算来计算耦合功率(1)。
为了比较不同技术的结果，计算了近场和远场5个不同距离d处的耦合功率，使两根天线之间保持相同的相对角度。表1列出了使用每种解决方案方法计算的耦合值。从表中可以看出，当d gt; 9.89 m (IFF询问器远场边界)时，采用近场耦合法(基于Hu公式)计算的耦合值与其他已知方法的耦合值一致。当d lt; 9.89 m时(在IFF询问器的近场区域)，NFCM只与ISCM一致，因为Friis和理想的接收机在近场中是无效的。图5显示了近场技术的差异:当d lt; 9.89 m时，Friis和理想接收机开始出现故障。
NFCM的优点是它很容易适用于包含近场障碍物的船上环境，并且不依赖于任何障碍物或天线在远场。此外，NFCM可以与孔径模型一起使用，当没有足够的信息来创建ISCM所需的综合模型时。
表1 不同耦合技术在敌我识别询问机和通信链路[n个自由空间]上的应用结果
|
耦合值(dB) |
|||||
|
耦合技术 |
d/8 = 1.305 m |
d/4 = 2.61 m |
d/2 = 5.22 m |
d = 10.44米 |
2d = 20.88 m |
|
Friis方程 |
-30.88 |
-36.90 |
-42.92 |
-48.94 |
-54.96 |
|
理想接收机1 |
-48.15 |
-43.76 |
-45.53 |
-49.91 |
-55.31 |
|
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