物理光學方法在預測線天線輻射模型中的運用

梁宇宏

摘 要：線天線屬于天線的一種，其構(gòu)成是線徑遠遠小于波長，其長度可以和波長相比的多根或一根金屬導線。線天線主要在超短波、短波、中波和長波波段中應(yīng)用，用來接收或者是發(fā)射天線。在線天線輻射模型的預測中，物理光學方法具有一定的優(yōu)勢，其主要特點是比較容易開展程度編寫，同時能將天線方向圖實際情況進行準確反映。文章主要分析物理光學方法、矩量運算、MM-PO混合法及弱耦合分析在線天線輻射模型預測中的運用。

關(guān)鍵詞：物理光學方法；矩量法；線天線輻射模型；弱耦合分析

中圖分類號：TN820 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0134-02

Abstract： The wire antenna belongs to one kind of antenna， its composition is the line diameter is much smaller than the wavelength， its length may compare with the wavelength many or one metal wire. Wire antennas are mainly used in ultrashort， shortwave， medium-wave and long-wave bands to receive or transmit antennas. In the prediction of antenna radiation model on line， physical optics method has some advantages， its main characteristic is that it is easy to write， and can accurately reflect the actual situation of antenna pattern. In this paper， the application of physical optics method， moment calculation， MM-PO hybrid method and weakly coupled analysis on-line antenna radiation model prediction are mainly analyzed.

Keywords： physical optics method； method of moments； radiation model of line antenna； weak coupling analysis

引言

在天線問題的分析中，經(jīng)典方法有幾何繞射法、物理光學法和幾何光學法等。采用何種分析方法主要有天線面的所處場區(qū)（是遠場還是近場）、饋源所在位置、饋源所采取的饋電方式和天線尺寸等決定。假如天線面的大小適中，并且和饋源的距離超過10個工作波長的時候，就能夠利用物理光學法對天線問題進行快速而準確的分析。線天線的工作原理主要是場強疊加的原理。

1 線天線輻射模型預測中應(yīng)用物理光學方法的必要性

線天線基本理論主要是利用物理和數(shù)學有關(guān)方法進行運算，并將導線形成的天線或者天線陣的問題分析出來。天線或天線陣的問題主要是輻射場、輸入阻抗的指標值、天線內(nèi)電流分布等等內(nèi)容。不同研究對象需要采取不同數(shù)理方法，依據(jù)積分運算的原理和有關(guān)假設(shè)對線天線電流分布的情況進行求解。然而，采取這種類型的運算方式達不到線天線輻射模型進行有效預測需要的指標數(shù)值，所以必須要積極研究和應(yīng)用物理光學方法。物理光學方法主要是利用各種介質(zhì)中光的傳輸特征和光的基本特征，計算電磁場中有關(guān)指標數(shù)值的一種方式。研究物理光學法和矩量運算的有效結(jié)合，能夠有效提升預測線天線輻射模型中數(shù)據(jù)的精確性。

2 物理光學法的內(nèi)涵

在高頻近似的分析法中，物理光學法是其中一種分析方法，其主要特點是把光當成電磁波。散射體已經(jīng)不是散射來源，散射來源變成了散射體表面分布的感應(yīng)電流。通常情況下，要想對散射體表面分布的感應(yīng)電流進行求解，就一定做出下面這兩種假設(shè)：（1）感應(yīng)電流分布區(qū)域假設(shè)只在物體表面受到入射波照射的一些區(qū)域，并且是直接照射到的區(qū)域；（2）從電流特性的角度而言，受照射區(qū)域中物體的感應(yīng)電流一致于入射點相切與物體表面時所形成平面中出現(xiàn)的電流特性。假設(shè)在自由空間中存在著一個導體，那么表面的入射場和反射長與感應(yīng)電流之間的磁場關(guān)系就是圖一所示的樣子。在圖1中，假如我們把散射體整個看成是電大尺寸時，就可以從中得到分布與這個導體表面的感應(yīng)電流相似的分布值。通常，感應(yīng)電流相似的分布值和這個導體的激勵磁場。散射磁場、總磁場都有一定比例關(guān)系。在簡化感應(yīng)電流變成已知后，就可以利用感應(yīng)電流相似的分布值對這個導體散射場所取的函數(shù)值進行深入推導。利用物理化學的方法對線天線輻射模型的預測就是依照以上的基本步驟開展的。

3 矩量法

線天線的傳統(tǒng)理論只有在一根細天線上對電磁輻射求解的場景有效，而在求解耦合線式的天線或者是線天線陣電磁輻射的時候，一定要轉(zhuǎn)化或積分變形電磁輻射。矩量法是一種計算數(shù)值的有效方法，可以把單純積分方程變成矩量方程，借助于計算機的運算程序，可以獲得預測線天線中電流分布特征的數(shù)值，是在對線天線輻射模型進行預測時的一種重要環(huán)節(jié)，矩量法基本的運算原理是：（1）假設(shè)存在一般形式積分方程，用L（u）g來表示，這個積分方程內(nèi)，代表所求函數(shù)的是字母u，比如想求得的電流，已知激勵源的函數(shù)是用字母g來表示，從而針對這一積分方程開展加權(quán)、代入和展開等一系列的預算，繼而獲取這個積分方程相對的逆矩量式方程[1]。尤其需要注意的，在利用逆矩量方程對未知函數(shù)，比如電流進行求解的時候，要尤其重視取舍權(quán)函數(shù)、基函數(shù)的問題。

4 MM-PO混合法

在對線天線輻射模型進行預測時，結(jié)合物理光學方法和矩量法的優(yōu)勢，詳細分析混合使用這兩種運算方式和弱耦合。（1）依據(jù)混合方法的要求，劃分導體目標整個運算區(qū)域為兩個區(qū)域，也就是MM區(qū)和PO區(qū)。可以定義MM區(qū)和PO區(qū)電流分布為JMM和JPO。要想有效預測和分析MM區(qū)和PO區(qū)線天線的輻射模型，最為關(guān)鍵的就是建立和磁場、電流、電場有關(guān)的積分方程。其一，第一個方程是MM區(qū)中電場電流得到滿足而獲取的積分方程；其二，第二個方程是PO區(qū)的電流和磁場相符的積分方程。

第一個方程：

第二個方程：

從第二個方程中中可以知道，這種類型積分方程的最大特征就是將PO分區(qū)中內(nèi)部感應(yīng)電流的潛在耦合作用忽略掉了，這就表示這種計算積分的公式，從本質(zhì)而言是一種以目標表面為基礎(chǔ)，PO分區(qū)中出現(xiàn)電流平坦的一種假定式的運算。在運算中需要明確的是，在第二個方程這種將電流耦合作用給忽略掉來對積分進行運算的方式，盡管能簡單化以往比較復雜的積分計算，不過也會導致一定的計算誤差，為此要積極急性縮小或者是抑制。

5 弱耦合分析

在劃分MM區(qū)和PO區(qū)中，弱耦合的關(guān)鍵思想就是假定只有距離饋電處不遠的MM區(qū)天線輻射才可以引發(fā)較強感應(yīng)式的電流。同理可知，和饋電處的距離相對不近的PO區(qū)中天線輻射電流相對比較小一些。所以，對于天線的激勵作用來說，PO區(qū)電流對于MM區(qū)造成的作用是非常弱的，而PO區(qū)位的耦合作用相比MM區(qū)位而言也相對較小。弱耦合思想的啟示是在利用弱耦合思想預測線天線輻射的模型時，可以將PO區(qū)位產(chǎn)生的電流影響適當略去，只運算MM區(qū)位電流的系數(shù)就可以了。從這個計算角度出發(fā)，計算多次或單次耦合期中PO區(qū)位和MM區(qū)位中的實際電流，就能夠得到線天線最終的輻射模型。在這種運算的過程中，要對散射體求解線天線的互阻抗問題做特別關(guān)注，主要用到的公式有兩個：

線天線散射場的公式：

洛倫茲公式：

在線天線的散射場公式中代入洛倫茲公式，就可以獲得散射體和線天線形成互阻抗的函數(shù)表達式[2]。在這個基礎(chǔ)之上，依據(jù)這個互阻抗的表達公式，將線天線一次耦合后的電流求解出，這也是一個可行措施。線天線一次耦合電流就代表這個線天線輻射場。在對散射體匯總輻射場的函數(shù)取值和相位因子造成的誤差影響綜合考慮的情況下，就可以得到線天線敷輻射模型場的精確值。

6 結(jié)束語

在如今的技術(shù)條件下作為一種近似高頻方法的典型代表，物理光學方法主要在分析電大尺寸問題上比較適用。在運算和分析線天線輻射模型的時候，還需要采用矩量法這一數(shù)值化計算方式。這就代表在線天線輻射模型的預測中，可靠性分析和精確運算的關(guān)鍵是利用MM-PO弱耦合簡化融合矩量法和物理光學方法。

參考文獻：

[1]黃姜璽.物理光學方法在預測線天線輻射模型中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（10）：108-108.

[2]谷金禹.物理光學方法在預測線天線輻射模型中的應(yīng)用探析[J].黑龍江科技信息，2012（6）：94-94.

[3]王洪建，張旭翔.物理光學方法應(yīng)用于預測線天線輻射模型[J].空間電子技術(shù)，2008（01）：67-71.

[4]張強，曹偉.機載超寬帶天線罩物理光學分析方法[J].電子與信息學報，2006，28（1）：100-102.

[5]丁皓.迭代物理光學加速及改進方法研究[D].浙江大學，2015.