平台与天线的一体化电磁建模及工程实践研究

论文摘要

为实现功能的多样化,越来越多的天线被架设到装备平台上,系统也变得更为复杂。天线与平台之间的相互耦合不仅影响天线本身的性能,同时也影响到系统整体的电磁兼容特性、电磁隐身特性、空气动力学特性等等。因此平台与天线一体化建模分析的重要性逐渐体现了出来。在具体的工程应用中,为降低平台载荷、减少天线数目,有效的宽带/超宽带天线被放到一个显著的位置;另外,弹载/机载平台天线的共形或共口径研究等也被提到了日程上来。本文的工作正是基于上述背景而开展的,研究内容不仅包括平台天线的一体化电磁建模技术,还包括应用需求极强的工程设计。所涉及到的方法不仅有精确的积分方程方法、高效的混合/近似方法,还包括实验测试、缩比模型等方法。围绕平台天线一体化建模的数值方法,本文首先以矩量法为基础,考查了基本流程,分析了其中的关键技术,也给出了在电小或谐振尺度平台下天线问题的实例。在涉及到馈电区几何/电磁建模的细节时,提出了“线簇—面”型及“角—面/角”型单点连接基函数,优点是能够节省未知量、加快求解时间。为提高求解效率,进一步研究了混合的电磁场迭代方法及（多层）快速多极子方法。这些方法,特别是后者,不仅具有精确性、同时具有显著的高效性。对于（多层）快速多极子方法,本文不仅研究了其用于电大PEC平台天线建模的详细过程,同时还将其应用于金属—介质复合平台上的天线仿真。所给出的验模及应用实例也都具有较强的针对性。平台天线问题实际上具有显著的特点,即局部或本地特性。基于这个特点,一些混合或近似方法可被利用以节省计算量、提高求解效率。本文主要考查了平台远端边界硬截断、忽略平台中远区互耦的矩量法—物理光学混合方法、新型相位基函数在辐射问题中的应用、考虑有耗地面影响的格林函数平面波反射系数修正法等。这些方法的有效性在与精确结果的对比中得到了很好地体现。舰载短波/超短波全向超宽带通信天线的设计是本文基于实验研究方法的一项重要工程实践。在综合现有天线宽带技术的基础上,本文采用结构复用、双端馈电、套筒匹配、分布参数优化等手段设计出的新型双馈组合式笼锥超宽带舰载通信天线在超过30个倍频的带宽内实现了很好的匹配,而所需尺寸却较国内外同类型参考天线表现出明显的优势,因而在实用上更具竞争力。本文还在真实的弹载介质罩下研究了很具挑战性的定位+遥测、定位+引信两个双天线共口径方案。将传统的四绕螺旋天线加以改进并作为定位天线,遥测天线考查了环形地板上的单极振子及二元阵列,而引信天线简单地采用以腔壁为地的水平单极振子。通过实验详细研究了口径尺寸及互耦对天线性能的影响,最终的布局方案能很好地实现定位天线口径法向右旋圆极化辐射、遥测天线口径面线极化掠射及引信天线的法向线极化辐射,各自的带宽也得到了满足。虽然所作工作还较为粗浅,然而已在平台天线一体化建模及实验探索方面形成了大概的轮廓,已经具备了精确求解电大复杂平台天线辐射问题的能力,为将来的研究打下了较好的基础。两项工程设计均具有很好的技术性能及应用前景,目前已经开始向实用化方向努力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 天线与平台/环境一体化研究的必要性及应用
• 1.2 相关理论建模方法及其发展概述
• 1.2.1 微分方程方法
• 1.2.2 高频方法
• 1.2.3 积分方程方法
• 1.2.4 基于积分方程方法的混合方法
• 1.2.5 基于积分方程方法的精确高效算法进展
• 1.2.6 需要注意的问题
• 1.3 相关实验方法及工程应用概述
• 1.3.1 全尺寸实测方法
• 1.3.2 缩比模型方法
• 1.3.3 两项舰载及弹载天线方面的工程应用背景
• 1.3.3.1 舰载 HF浑HF/UHF超宽带全向通信天线
• 1.3.3.2 弹载 L/S波段双天线共口径设计
• 1.4 本文的研究思路及主要研究内容
• 1.5 本文的主要贡献
• 1.6 本文的组织结构
• 1.7 本章小结
• 第二章 电小或谐振尺度平台上天线问题的矩量法求解
• 2.1 矩量法原理及其关键技术
• 2.1.1 天线问题主要采用的积分方程
• 2.1.2 几何建模及基函数选取
• 2.1.2.1 线型分域三角基
• 2.1.2.2 RWG分域面元基函数
• 2.1.2.3 Rao提出的线面连接基函数
• 2.1.3 待求方程组的形成及求解
• 2.1.3.1 权函数选择及矩阵性态
• 2.1.3.2 激励向量的生成
• 2.1.3.3 方程组的高效求解
• 2.1.4 后期数据的处理
• 2.2 特殊的单点“线簇一面”及“角一面/角”连接基函数
• 2.2.1 单点“线簇一面”连接基函数的提出
• 2.2.2 单点“角一面/角”连接基函数的提出
• 2.2.4 小结
• 2.3 无限大地面对载体系统天线的影响
• 2.3.1 无限大 PEC平面
• 2.3.2 当地面为有耗的情况
• 2.4 MOM方法典型“平台—天线”应用
• 2.4.1 机载短波斜拉天线
• 2.4.2 车载短波通信天线
• 2.5 本章小结
• 第三章 平台天线问题的高效数值方法
• 3.1 混合电磁场迭代（HEMI）方法
• 3.1.1 HEMI方法的实施过程
• 3.1.2 HEMI方法的计算成本
• 3.1.3 HEMI方法计算实例
• 3.1.4 HEMI方法的局限性
• 3.2 多层快速多极子方法（MLFMA）
• 3.2.1 多层快速多极子方法的基本原理
• 3.2.1.1 快速多极子方法算法原理
• 3.2.1.2 快速多极子方法的多层表达
• 3.2.1.3 MLFMA方法 PEC结构验模算例
• 3.2.2 结合介质问题的应用
• 3.2.2.1 金属介质问题的PMCHW等效方法
• 3.2.2.2 金属介质方程组的MLFMA表达
• 3.2.3 MLFMA计算实例
• 3.2.3.1 机载甚高频天线
• 3.2.3.2 飞艇吊仓下方的共形微带阵
• 3.2.3.3 小结
• 3.3 关于 FMM/MLFMA的其它问题
• 3.4 本章小结
• 第四章 局部场理论在平台天线中的应用
• 4.1 边界硬截断或远端互耦忽略对计算结果的影响
• 4.1.1 有限截取边界对天线辐射方向图及输入阻抗的影响
• 4.1.2 MOM-PO混合方法
• 4.1.2.1 MOM-PO的实施过程
• 4.1.2.2 MOM-PO的计算成本
• 4.1.2.3 MOM-PO方法计算实例
• 4.1.2.4 MOM-PO方法小结
• 4.2 带相位信息的基函数的提出及其在天线问题中的应用
• 4.2.1 含相位信息基函数简介
• 4.2.2 PE基函数结合 MOM-PO在天线问题中的应用
• 4.2.3 计算实例
• 4.2.3.1 天线与载体连接的情况—圆盘单极振子
• 4.2.3.2 天线与载体分离的情况—导体屏前方的偶极振子
• 4.2.4 小结及讨论
• 4.3 有耗半空间格林函数反射系数修正法及其应用
• 4.3.1 基本步骤
• 4.3.2 结合实际环境的分析
• 4.3.2.1 海水情况
• 4.3.2.2 干土情况
• 4.3.3 小结及讨论
• 4.3.4 应用实例
• 4.4 本章小结
• 第五章 舰载HF/VHF/UHF超宽带全向通信天线设计
• 5.1 短波超短波通信天线常用宽带技术概述
• 5.1.1 宽带振子结构
• 5.1.2 加载及匹配网络技术
• 5.1.3 参差调谐技术
• 5.2 盘锥类宽带天线的设计
• 5.2.1 传统设计方案
• 5.2.2 参差调谐结构
• 5.2.3 腔式宽带阻抗匹配结构的引入
• 5.3 双馈笼锥天线的设计
• 5.3.1 现有双馈天线概览
• 5.3.2 盘笼天线原理及实验样机
• 5.4 双馈笼锥天线的进一步优化及改进
• 5.4.1 两路馈电引入同轴阻抗变换结构
• 5.4.2 结构上的优化
• 5.4.2.1 顶盘直径d
• 5.4.2.2 中心支柱对下馈驻波的影响
• 5.4.2.3 横向口径D
• 5.4.2.4 主辐射体长度L对上馈的影响
• 5.4.2.5 天线整体高度H
• 5.4.2.6 对上下两锥体张角的选择及套筒结构的考虑
• 5.4.2.7 横向支杆与中心支柱、主辐射体的接触问题
• 5.4.2.8 新样机结果
• 5.4.3 体积的进一步减小及方向图波束分裂的改善
• 5.5 船体对天线辐射性能的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 弹载US波段双天线共口径研究
• 6.1 模型及目标
• 6.1.1 模型及其参数
• 6.1.2 可能的技术要求
• 6.2 L波段定位天线
• 6.2.1 可能的选择
• 6.2.2 四绕螺旋天线（QHA）
• 6.2.3 QHA在腔内的一种改进
• 6.3 定位/遥测天线共口径研究
• 6.3.1 遥测天线的可能选型
• 6.3.2 腔内布局
• 6.3.3 实验结果
• 6.3.4 小结
• 6.4 定位/引信天线共口径研究
• 6.4.1 引信天线的可能选型
• 6.4.2 腔内布局
• 6.4.3 实验结果
• 6.4.4 小结
• 6.5 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 本文工作总结及一些讨论
• 7.2 下一步工作计划及展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者硕博连读期间取得的成果
• 个人简历