一种天线罩波束平均入射角计算方法与流程

1.本发明涉及雷达天线罩设计中的电性能设计方法，尤其涉及一种天线罩电性能设计方法。


背景技术：

2.雷达天线罩是导引头雷达系统的重要组成部分，它可以保护导引头雷达系统免受外界复杂环境的影响。除物理上的保护功能外，在电性能层面，天线罩还需要具备较好的电磁透波特性。对于常见的单层介质天线罩，其电性能的优劣主要受天线罩壁厚参数的设计效果影响。而在进行天线罩电性能设计时，天线罩的罩壁厚度参数设计主要依赖于天线罩波束平均入射角的计算结果。天线罩波束平均入射角是指在天线发射电磁波束传播至罩体内壁表面时，波束传播方向与罩壁法向形成的等效夹角。传统计算天线罩波束平均入射角的方式是基于几何光学理论的射线求解法，这种方法忽略了电磁波束的衍射效应，计算误差较大，对于天线罩电性能设计存在明显的不利影响。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种天线罩波束平均入射角计算方法，获得更准确的天线罩波束平均入射角参数，为天线罩电性能设计与优化提供更加准确的设计参数。
4.为了达到上述目的，本发明提供一种天线罩波束平均入射角计算方法，包含以下步骤：
5.步骤s1、建立天线罩外形面几何模型，并采用三角面元剖分；
6.步骤s2、设置天线转动角度，提取天线的口面辐射电磁场分布与位置信息；
7.步骤s3、基于物理光学理论公式，执行天线口面场电磁积分，计算天线波束传播到天线罩外形面各个三角面元的电磁场分布；
8.步骤4、通过计算各三角面元上电磁波束坡印廷矢量，再结合三角面元法向矢量求夹角而获得天线发射电磁波在各三角面元上的波束入射角；
[0009][0010][0011]
其中，为单位坡印廷矢量单位向量，为天线罩剖分三角面元电场向量，为三角面元磁场向量，和通过物理光学积分算法求得；θ代表天线电磁波束在天线罩内壁各个三角面元上的波束入射角，为各三角面元的外法向矢量对应的单位向量；
[0012]
步骤s5、处理所有三角面元的波束入射角数据集，获得天线发射电磁波在天线罩内壁上的波束平均入射角。
[0013]
所述波束入射角数据集处理方法包含：
[0014]
筛选：对所有三角面元的坡印廷矢量取模值，并求得模值最大值；设置筛选阈值，筛选阈值为坡印廷矢量模值最大值乘以比例系数；删除坡印廷矢量模值低于筛选阈值的三角面元入射角数据，只保留坡印廷矢量模值高于筛选阈值的三角面元入射角数据；
[0015]
加权平均：以坡印廷矢量模值大小为权重，对坡印廷矢量模值高于筛选阈值的三角面元入射角数据进行加权平均，最终获得天线波束在天线罩内壁的等效波束入射角数值θ
equivalent
；
[0016][0017]
其中，s1、s2、...sn为阈值筛选后的三角面元的坡印廷矢量模值，θ1、θ2、...θn为与s1、s2、...sn对应的三角面元入射角。
[0018]
所述比例系数介于0到1之间。
[0019]
本发明通过使用精度较高的电磁积分算法替代精度较低的几何光学方法，结合阈值筛选和加权平均，获得更准确的天线罩波束平均入射角参数，从而为天线罩电性能设计与优化提供更加准确的设计参数。
附图说明
[0020]
图1为本发明中计算天线罩波束平均入射角的流程图；
[0021]
图2为本发明中天线罩外形面三角面元剖分示意图；
[0022]
图3为本发明中天线波束传播到天线罩内壁上的电磁能量分布示意图，包括按照能量密度筛选前与筛选后的分布对比；
[0023]
图4为本发明中天线罩波束平均入射角随天线扫描角度变化的计算结果图。
具体实施方式
[0024]
以下根据图1～图4，具体说明本发明的较佳实施例。
[0025]
本发明提供一种基于物理光学算法的天线罩波束平均入射角计算方法，在已知天线罩外形、天线口面电磁场分布、天线-天线罩相对位置关系、天线频率的情况下，计算天线罩波束平均入射角。如图1所示，具体计算步骤如下：
[0026]
步骤s1、建立天线罩外形面几何模型，并采用三角面元剖分；天线罩外形面建模后，对其进行三角面元剖分后的效果如图2所示(可自行剖分或借助专用软件如hypermesh、ansys、catia、feko等进行剖分)，剖分后的天线罩外形面可以等效为这一系列三角面元的集合；
[0027]
步骤s2、设置天线转动角度，可以等效为对天线口面电磁场分布转动相同角度，提取天线的口面辐射电磁场分布与位置信息；
[0028]
步骤s3、基于物理光学理论公式，执行天线口面场电磁积分，计算天线波束传播到天线罩外形面各个三角面元的电磁场分布和
[0029]
步骤s4、计算天线发射电磁波在天线罩各个三角面元上的波束入射角；
[0030]
通过计算各三角面元上电磁波束坡印廷矢量，再结合三角面元法向矢量求夹角而
获得天线发射电磁波在各三角面元上的波束入射角；
[0031][0032][0033]
其中，为单位坡印廷矢量单位向量，为天线罩剖分三角面元电场向量，为三角面元磁场向量，和通过物理光学积分算法求得；θ代表天线电磁波束在天线罩内壁各个三角面元上的波束入射角，n
→
为各三角面元的外法向矢量对应的单位向量；
[0034]
步骤s5、处理所有三角面元的波束入射角数据集，获得天线发射电磁波在天线罩内壁上的波束平均入射角；
[0035]
在三角面元波束入射角数据集处理流程中，包含筛选步骤与加权平均步骤；
[0036]
所述筛选步骤包含：首先对所有三角面元的坡印廷矢量取模值(对应电磁能量密度高低)，并求得模值最大值；随后根据具体场景设置筛选阈值，筛选阈值为坡印廷矢量模值最大值乘以特定比例系数(介于0到1之间)；删除坡印廷矢量模值低于筛选阈值的三角面元入射角数据，只保留坡印廷矢量模值高于筛选阈值的三角面元入射角数据；
[0037]
所述加权平均步骤包含：以坡印廷矢量模值大小为权重，对坡印廷矢量模值高于筛选阈值的三角面元入射角数据进行加权平均，最终获得天线波束在天线罩内壁的等效波束入射角数值θ
equivalent
；
[0038][0039]
其中，s1、s2、...sn为阈值筛选后的三角面元的坡印廷矢量模值，θ1、θ2、...θn为与s1、s2、...sn对应的三角面元入射角。
[0040]
图3为本发明中天线波束传播到天线罩内壁上的电磁场能量分布示意图，其中左图为未经能量密度筛选处理的电磁能量分布，右图为经过能量筛选处理后的电磁能量分布，只留存了能量密度较高的电磁分布区域。
[0041]
图4为本发明中天线罩波束平均入射角随天线扫描角度增大而变化的计算结果示意图，其中横坐标为天线扫描角，纵坐标为对应的天线罩波束平均入射角。由图4可见，当天线正对天线罩时(扫描角为零)，波束平均入射角达到最大值，随着天线扫描角度增大，波束平均入射角逐渐下降。
[0042]
本发明通过使用精度较高的电磁积分算法替代精度较低的几何光学方法，结合阈值筛选和加权平均，获得更准确的天线罩波束平均入射角参数，从而为天线罩电性能设计与优化提供更加准确的设计参数。
[0043]
需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0044]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。