考虑有源相控阵馈源耦合的星载天线电性能分析方法

本发明属于星载天线，具体涉及一种考虑有源相控阵馈源耦合的星载天线电性能分析方法。

背景技术：

1、在星载雷达、深空探测及卫星通信系统中，有源相控阵常被用作大型反射面天线的馈源。为保证星载相控阵天线在轨期间的正常、可靠工作，必须在设计阶段对其辐射特性进行高精度的预测与分析。

2、相关技术中主要有两类方案：其一为全局全波仿真方法（如矩量法、有限元法），虽能保证计算精度，但所需网格数量庞大、极度耗时，效率低下；其二为方向图乘积定理，虽计算速度快，但因忽略了单元间的互耦及边缘效应，导致计算精度有限。此外，大型星载有源相控阵天线采用多子阵折叠收拢构型，子阵面板间的机械拼缝引入结构不连续性，进一步影响阵元的电磁边界条件，而现有方案未充分考虑此类缝隙耦合效应。

3、综上，现有技术难以在考虑阵元间互耦效应、边缘效应及缝隙耦合效应的前提下，实现星载反射面天线电性能的高效分析与评估，无法满足大型星载有源相控阵天线工程设计中对计算效率与仿真精度平衡的需求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种考虑有源相控阵馈源耦合的星载天线电性能分析方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明提供了一种考虑有源相控阵馈源耦合的星载天线电性能分析方法，包括：

3、基于单阵元增益，通过迭代增益收敛确立最小耦合阵列规模；

4、在馈源局部坐标系中，根据阵元所处阵列位置对所述最小耦合阵列规模内的阵元进行分类提取，得到各等效耦合源；

5、提取各所述等效耦合源的三维电场数据，基于所述三维电场数据建立阵元等效源模型；

6、基于全局坐标系和所述馈源局部坐标系的相对关系，对所述等效源模型中的各等效源进行欧拉变换，使各所述等效源从所述馈源局部坐标系转换至所述全局坐标系，得到变换后的等效源；

7、基于相控阵馈源实际位置关系，将所述变换后的等效源逐一映射至目标阵列中各阵元的对应位置，得到映射后的阵列等效源；

8、基于物理光学法，根据所述映射后的阵列等效源计算反射面的总感应电流，根据所述总感应电流计算天线远场电场，提取所述天线远场电场在电场平面和磁场平面的功率方向图，作为所述天线系统的远场方向图，基于所述远场方向图进行电性能分析。

9、在本发明的一个实施例中，所述基于单阵元增益，通过迭代增益收敛确立最小耦合阵列规模，包括：

10、建立初始规模的单阵元模型，对所述单阵元模型进行激励，并通过全波算法提取所述单阵元增益；

11、将当前子阵列模型沿二维平面向外均匀扩展一圈，构建扩展后的子阵列模型，对所述扩展后的子阵列模型的几何中心阵元进行激励，通过全波算法提取所述扩展后的子阵列模型的扩展增益；

12、计算所述单阵元增益与所述扩展增益的增益损失；

13、将所述增益损失与预设收敛阈值进行对比，若所述增益损失大于或等于所述预设收敛阈值，则将所述扩展后的子阵列模型沿二维平面再向外均匀扩展一圈，并重新确定所述计算增益损失；若所述增益损失小于所述预设收敛阈值，则停止扩展，选取当前规模作为所述最小耦合阵列规模。

14、在本发明的一个实施例中，所述等效耦合源包括阵中等效耦合源、边缘等效耦合源及缝隙等效耦合源；所述在馈源局部坐标系中，根据阵元所处阵列位置对所述最小耦合阵列规模内的阵元进行分类提取，得到各等效耦合源，包括：

15、对所述最小耦合阵列规模内位于阵列中心列的各阵元分别进行激励，通过全波算法获取对应的三维电场数据，得到所述阵中等效耦合源；

16、对所述最小耦合阵列规模内位于阵列最左侧列和最右侧列的各阵元分别进行激励，通过全波算法获取对应的三维电场数据，得到所述边缘等效耦合源；

17、对所述最小耦合阵列规模内紧靠机械拼缝两侧的阵元，按从紧靠拼缝列向远离拼缝列的顺序逐列分别进行激励，通过全波算法获取各列对应的三维电场数据，得到所述缝隙等效耦合源。

18、在本发明的一个实施例中，基于物理光学法，根据所述映射后的阵列等效源计算反射面的总感应电流之前，所述方法还包括：

19、在全局坐标系下，根据波长选取多个候选离散精度，对不同所述候选离散精度下的电性能计算增益进行对比，在所述电性能计算增益达到增益损失收敛阈值的情况下，将所述电性能计算增益对应的候选离散精度确定为反射面的目标离散精度，基于所述目标离散精度对所述反射面进行网格离散。

20、在本发明的一个实施例中，所述基于全局坐标系和所述馈源局部坐标系的相对关系，对所述等效源模型中的各等效源进行欧拉变换，包括：

21、根据各阵元在所述全局坐标系下的安装姿态倾角，构建包含俯仰角、偏航角和滚转角的欧拉角旋转矩阵；

22、基于所述欧拉角旋转矩阵对所述等效源模型中各等效源的空间角进行旋转，将等效源的局部电磁传播主轴偏转至所述全局坐标系下的真实照射方向，得到所述变换后的等效源。

23、在本发明的一个实施例中，所述基于相控阵馈源实际位置关系，将所述变换后的等效源逐一映射至目标阵列中各阵元的对应位置，得到映射后的阵列等效源，包括：

24、当所述目标阵列的行数不大于所述最小耦合阵列规模的耦合影响层数的两倍时，列映射索引根据阵元所在列相对于阵列左边缘、右边缘及中心区域的位置关系分别确定；

25、当所述目标阵列的行数大于所述最小耦合阵列规模的耦合影响层数的两倍时，行映射索引根据阵元所在行相对于阵列顶部区域、底部区域及中心区域的位置关系分别确定；

26、对于机械拼缝区域的阵元，根据阵元在所属子阵模块内部的局部列坐标和相对于拼缝的左右侧位置关系，确定对应的缝隙区域列映射索引；

27、基于所述列映射索引、所述行映射索引及所述缝隙区域列映射索引，在所述各等效耦合源中确定匹配的等效耦合源，将所述等效耦合源映射至所述目标阵列中对应位置的阵元，得到所述映射后的阵列等效源。

28、在本发明的一个实施例中，所述基于物理光学法，根据所述映射后的阵列等效源计算反射面的总感应电流，根据所述总感应电流计算天线远场电场，包括：

29、针对所述目标阵列中的每个阵元，根据阵元的绝对空间坐标计算阵元到达所述反射面各离散点的直线距离和单位方向矢量；

30、根据所述直线距离、所述单位方向矢量及所述映射后的阵列等效源的远场数据，获取各阵元在所述反射面各离散点上的入射电场矢量，通过空间向量叉乘计算各阵元的入射磁场矢量，基于物理光学法计算各阵元在所述反射面各离散点上的局部感应电流；

31、将各阵元在所述反射面同一离散点上的所述局部感应电流进行矢量叠加，得到所述反射面的总感应电流；

32、对所述总感应电流执行远场积分，得到所述天线远场电场。

33、第二方面，本发明提供了一种考虑有源相控阵馈源耦合的星载天线电性能分析装置，包括：

34、耦合规模确定模块，用于基于单阵元增益，通过迭代增益收敛确立最小耦合阵列规模；

35、等效源分类模块，用于在馈源局部坐标系中，根据阵元所处阵列位置对所述最小耦合阵列规模内的阵元进行分类提取，得到各等效耦合源；

36、等效源建模模块，用于提取各所述等效耦合源的三维电场数据，基于所述三维电场数据建立阵元等效源模型；

37、等效源变换模块，用于基于全局坐标系和所述馈源局部坐标系的相对关系，对所述等效源模型中的各等效源进行欧拉变换，使各所述等效源从所述馈源局部坐标系转换至所述全局坐标系，得到变换后的等效源；

38、等效源映射模块，用于基于相控阵馈源实际位置关系，将所述变换后的等效源逐一映射至目标阵列中各阵元的对应位置，得到映射后的阵列等效源；

39、电性能分析模块，用于基于物理光学法，根据所述映射后的阵列等效源计算反射面的总感应电流，根据所述总感应电流计算天线远场电场，提取所述天线远场电场在电场平面和磁场平面的功率方向图，作为所述天线系统的远场方向图，基于所述远场方向图进行电性能分析。

40、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，所述处理器，所述通信接口，所述存储器通过所述通信总线完成相互间的通信；

41、所述存储器，用于存放计算机程序；

42、所述处理器，用于执行所述存储器上所存放的计算机程序时，实现第一方面提供的考虑有源相控阵馈源耦合的星载天线电性能分析方法的步骤。

43、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质内存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现第一方面提供的考虑有源相控阵馈源耦合的星载天线电性能分析方法的步骤。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果：

45、本发明提供的考虑有源相控阵馈源耦合的星载天线电性能分析方法，通过基于单阵元增益，通过迭代增益收敛确立最小耦合阵列规模；在馈源局部坐标系中，根据阵元所处阵列位置对最小耦合阵列规模内的阵元进行分类提取，得到各等效耦合源；提取各等效耦合源的三维电场数据，基于三维电场数据建立阵元等效源模型；基于全局坐标系和馈源局部坐标系的相对关系，对等效源模型中的各等效源进行欧拉变换，使各等效源从馈源局部坐标系转换至全局坐标系，得到变换后的等效源；基于相控阵馈源实际位置关系，将变换后的等效源逐一映射至目标阵列中各阵元的对应位置，得到映射后的阵列等效源；基于物理光学法，根据映射后的阵列等效源计算反射面的总感应电流，根据总感应电流计算天线远场电场，提取天线远场电场在电场平面和磁场平面的功率方向图，作为天线系统的远场方向图，基于远场方向图进行电性能分析，从而在考虑阵元间互耦效应、边缘效应及缝隙耦合效应的前提下，规避了全局全波仿真，实现了星载反射面天线电性能的高效分析与评估，达成计算效率与仿真精度的平衡。

46、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。