一種航天器艙內(nèi)電場測量天線的轉(zhuǎn)換系數(shù)計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種天線轉(zhuǎn)換系數(shù)計算方法，特別是一種航天器艙內(nèi)電場測量天線的 轉(zhuǎn)換系數(shù)計算方法，屬于電磁場與微波技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天器的電磁環(huán)境適應(yīng)性是其可靠性設(shè)計和電磁兼容性設(shè)計必須考慮的重要問 題，隨著航天器在功能和性能上的提高，產(chǎn)品集成度的增大，在有限的空間內(nèi)收發(fā)天線密 集，使航天器艙體內(nèi)部的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。為了獲取艙體內(nèi)部的電場分布和量級情況，通 常在艙體內(nèi)部布置商用電場探頭進行測量，然而現(xiàn)有的商用電場探頭存在一定局限性，一 是其靈敏度較低，最小響應(yīng)幅度約為5V/m，無法測量更小的信號，二是其輸出為一個所有測 量頻段的綜合電場強度，無法獲知其中任意頻點處的電場分布和大小，因此需要利用小型 測量天線來完成航天器艙內(nèi)電場的測量，亟需一種快速、高效求解航天器艙內(nèi)電場測量天 線的轉(zhuǎn)換系數(shù)的方法。
[0003] 現(xiàn)有主要通過實驗的方法來求解航天器艙內(nèi)電場測量天線的轉(zhuǎn)換系數(shù)，利用該方 法可以保證轉(zhuǎn)換系數(shù)求解的精度，但該方法需要專業(yè)的場地和設(shè)備實現(xiàn)，實驗一次需要耗 時1~2天，且花費在幾萬元，無法滿足快速、高效獲取航天器艙內(nèi)電場測量天線的轉(zhuǎn)換系 數(shù)的日常需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種航天器艙內(nèi)電場測 量天線的轉(zhuǎn)換系數(shù)計算方法，利用軟件仿真的方法建立收發(fā)鏈路模型，并在測量天線包絡(luò) 上建立電場探針，模擬喇叭天線模型口面與測量天線模型口面之間不同距離條件下的收發(fā) 鏈路模型，獲取電場探針數(shù)值和測量天線端口電壓數(shù)值，并對獲取的數(shù)值進行擬合，獲得電 場探針數(shù)值和測量天線端口電壓數(shù)值之間的關(guān)系曲線，最終獲得測量天線的轉(zhuǎn)換系數(shù)，該 方法通過計算機模擬的方法實現(xiàn)了航天器艙內(nèi)電場測量天線的轉(zhuǎn)換系數(shù)的獲取，與現(xiàn)有方 法相比，大大簡化了求解過程，縮短了求解時間，節(jié)約了求解成本，最大程度上滿足了航天 器艙內(nèi)電場測量天線的轉(zhuǎn)換系數(shù)計算的需求。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種航天器艙內(nèi)電場測量天線的轉(zhuǎn)換系數(shù)計算方法， 包括以下步驟：
[0006] (1)根據(jù)待求轉(zhuǎn)換系數(shù)的頻率范圍f，在電磁仿真軟件中建立喇叭天線的模型，所 述喇叭天線的工作頻段覆蓋待求轉(zhuǎn)換系數(shù)的頻率范圍f ;
[0007] (2)根據(jù)預(yù)先給定的測量天線的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和電氣性能指標，在電磁仿真軟件 中建立測量天線的模型，所述電氣性能指標包括天線的電壓駐波比和增益，所述測量天線 的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)包括介質(zhì)基板尺寸、輻射貼片尺寸、饋電探針位置和材料特性；
[0008] (3)在電磁仿真軟件中，利用步驟⑵中建立的測量天線模型，仿真計算出測量天 線的電壓駐波比和增益，并與步驟（2)中預(yù)先給定的天線電壓駐波比和增益比較，若達到 指標要求，則進入步驟（4);否則，對測量天線模型的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進行調(diào)整后再進行仿真 計算和比較，直到達到指標要求后進入步驟（4);
[0009] (4)以步驟（1)中的喇叭天線模型作為發(fā)射天線，步驟（3)中的測量天線模型作為 接收天線，建立收發(fā)鏈路模型，所述喇叭天線模型口面與接收天線模型口面之間的距離為 L ；
[0010] (5)在步驟（3)中建立的測量天線模型結(jié)構(gòu)包絡(luò)上建立N個電場探針；
[0011] (6)設(shè)置 L = Ll;
[0012] (7)設(shè)置喇叭天線和測量天線的饋電端口為波導端口，喇叭天線端口饋電功率為 Pin，求解頻率為f，仿真計算收發(fā)鏈路模型；
[0013] (8)在收發(fā)鏈路模型仿真計算完成后，從計算結(jié)果中獲取喇叭天線到測量天線端 口的傳輸系數(shù)，并進行Round數(shù)學求整，記為S 21，則測量天線端口接收功率Pciut由公式：
[0014] Pout= P In+S21
[0015] 給出；
[0016] (9)從計算結(jié)果中獲取測量天線結(jié)構(gòu)包絡(luò)的N個電場探針的數(shù)值，去除N個值中的 最大值和最小值，將剩余N-2個電場值取平均數(shù)，并進行Round數(shù)學求整，記為E av;
[0017] (10)將步驟⑶中獲得的Pciut值設(shè)為X軸，步驟（9)中獲得的電場平均值E av設(shè)為 Y軸，在直角坐標系中描出此點；
[0018] (11)設(shè)置 L = L2,重復(fù)（7)~（10)步；
[0019] (12)設(shè)置 L = L3,重復(fù)（7)~（10)步；
[0020] (13)將（10)~（12)步在直角坐標系中描出的3點按照最小二乘法進行曲線擬 合，所得直線為所求頻點f處測量天線測量電場強度與端口接收功率之間關(guān)系曲線；
[0021] (14)在步驟（13)獲取的關(guān)系曲線上任意取一點（x，y)，頻點f處測量天線的轉(zhuǎn)換 系數(shù)TF通過公式：
[0022] TF (dB/m) = y (dBuV/m) -107 (dB) -X (dBm)
[0023] 給出。
[0024] 所述步驟⑶中達到指標要求具體為：仿真計算出的測量天線的電壓駐波比與預(yù) 先給定的天線電壓駐波比之間差值的絕對值與預(yù)先給定的天線電壓駐波比之比小于預(yù)設(shè) 的電壓駐波比閾值；且仿真計算出的測量天線的增益與預(yù)先給定的天線增益之間差值的絕 對值與預(yù)先給定的天線增益的絕對值之比小于預(yù)設(shè)的增益閾值；所述電壓駐波比閾值和增 益閾值的取值范圍均為：1%~5%。
[0025] 所述喇叭天線模型的口面正對測量天線模型的口面，且兩天線模型的極化方式相 同。
[0026] 所述在步驟（3)中建立的測量天線模型結(jié)構(gòu)包絡(luò)上建立N個電場探針，具體為：
[0027] 若測量天線為全向天線，則正輻射方向?qū)?yīng)的結(jié)構(gòu)包絡(luò)與反輻射方向?qū)?yīng)的結(jié)構(gòu) 包絡(luò)對稱，正輻射方向?qū)?yīng)的結(jié)構(gòu)包絡(luò)與反輻射方向?qū)?yīng)的結(jié)構(gòu)包絡(luò)上的電場探針數(shù)量相 同，且位置一一對應(yīng)；
[0028] 若測量天線為定向天線，則在測量天線輻射方向正對的結(jié)構(gòu)包絡(luò)上建立電場探 測。
[0029] 所述N大于等于10。
[0030] 所述測量天線模型結(jié)構(gòu)包絡(luò)與測量天線表面的距離為h，具體由公式：
[0032] 給出，其中c為真空中光速，f為待求轉(zhuǎn)換系數(shù)的頻點。
[0033] 所述電場探針在測量天線模型結(jié)構(gòu)包絡(luò)上均勻分布。
[0034] 所述 L1>L2>L3>0。
[0035] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0036] 本發(fā)明基于單臺計算機對收發(fā)鏈路進行模擬，實現(xiàn)了航天器艙內(nèi)電場測量天線轉(zhuǎn) 換系數(shù)的計算，與現(xiàn)有的實驗方法相比，大大簡化了求解過程，縮短了求解時間，節(jié)約了求 解成本。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發(fā)明流程圖；
[0038] 圖2為測量天線結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖3為收發(fā)鏈路模型示意圖；
[0040] 圖4為本發(fā)明中實施例電場探針設(shè)置示意圖；
[0041] 圖5為本發(fā)明仿真結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
[0042] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行進一步的詳細描述。
[0043] 基于現(xiàn)有商用探頭的弊端，采用了一套小型化的艙內(nèi)電場測量系統(tǒng)，系統(tǒng)前端為 一矩形印刷貼片天線，通過連接后端的頻譜儀等設(shè)備可以直觀的測到艙內(nèi)任意頻點處的電 場分布和相對量級情況。此系統(tǒng)的輸出為電場經(jīng)測量天線在天線端口處的接收功率值P，只 能測量不同位置處功率的相對變化情況，由于電場E需要通過式E = TF+P計算，沒有測量 天線的轉(zhuǎn)換系數(shù)TF，測量天線所處位置的具體電場強度大小仍未知。為了進一步獲取具體 頻點、具體位置處的具體電場強度大小，需要獲取測量天線的轉(zhuǎn)換系數(shù)，其描述的是將所處 空間電場轉(zhuǎn)換為天線端口功率的能力，然而由于研制的測量天線尺寸過小且只有一套，傳 統(tǒng)的基于試驗的天線轉(zhuǎn)換系數(shù)計算方法，如兩天線法和三天線法無法適用，因此結(jié)合艙內(nèi) 電場分布特點以及數(shù)字化仿真設(shè)計技術(shù)，提出一種計算艙內(nèi)電場測量天線的轉(zhuǎn)換系數(shù)的方 法。
[0044] 本方法通過構(gòu)建以喇叭天線和測量天線為單元的收發(fā)鏈路模型，并在測量天線周 圍建立電場探針包絡(luò)，計算獲取收發(fā)鏈路間的隔離度信息反演出測量天線端口電壓值，并 結(jié)合包絡(luò)電場的平均值，運用線性規(guī)劃方法計算得到測量天線的轉(zhuǎn)換系數(shù)值。
[0045] 如圖1所示為本發(fā)明的方法流程圖，從圖1可知，本發(fā)明中一種航天器艙內(nèi)電場測 量天線的轉(zhuǎn)換系數(shù)計算方法，其特征在于包括以下步驟：
[0046] (1)根據(jù)待求轉(zhuǎn)換系數(shù)的頻率范圍f，在電磁仿真軟件中建立喇叭天線的模型， 所述喇叭天線的工作頻段覆蓋待求轉(zhuǎn)換系數(shù)的頻率范圍f ;所述電磁仿真軟件可以采用 HFSS、CST 或者 FEKO。
[0047] (2)根據(jù)預(yù)先給定的測量天線的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和電氣性能指標，在電磁仿真軟件 中建立測量天線的模型，所述電氣性能指標包括天線的電壓駐波比和增益，所述測量天線 的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)包括、介質(zhì)基板尺寸、輻射貼片尺寸、饋電探針位置和材料特性；測量天線 不意圖見圖2 ;
[0048] (3)在電磁仿真軟件中，利用步驟⑵中建立的測量天線模型，仿真計算出測量天 線的電壓駐波比和增益，并與步驟（2)中預(yù)先給定的天線電壓駐波比和增益比較，若達到 指標要求，則進入步驟（4);否則，對測量天線模型的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進行調(diào)整后再進行仿真 計算和比較，直到達到指標要求后進入步驟（4);所述達到指標要求具體為：仿真計算出的 測量天線的電壓駐波比與預(yù)先給定的天線電壓駐波比之間差值的絕對值與預(yù)先給定的天 線電壓駐波比之比小于預(yù)設(shè)的電壓駐波比閾值；且仿真計算出的測量天線的增益與預(yù)先給 定的天線增益之間差值的絕對值與預(yù)先給定的天線增益的絕對值之比小于預(yù)設(shè)的增益閾 值；所述電壓駐波比閾值和增益閾值