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一种用于近 远场统一计算的天线算法 2009-10-19 10:31:00 【文章字体：大?中?小】 推荐 收藏 打印 天线是无线电装置的重要‘门口’，它负责收发无线电信号。在天线发展的上百年进程中，早期人们主要关心的是天线在空间的远区场分布情况。随着电子设备与日俱增，出现了环境电磁学、生物电磁学和EMI/EMC问题等。人们把注意力逐渐转向天线的近场辐射问题，因而出现了多种关于天线近场的算法以及近场测试技术等，当然天线的远场分布仍是各种应用关心的问题之一。对此本刊记者采访了北京理工大学电子工程系的高本庆教授。ITC：高教授，对于出现了若干近/远场之间的变换技术，它是如何快速而准确地推测出天线的远场分布的呢？高教授：根据天线近/远场的以往算法，似乎人们关注天线的近场/远场统一计算较少，这里所说的‘统一’计算是指：当天线的观测距离由近场区域向远场区域变化时，可由一个统一的算法（程序）执行，不必对算法（程序）进行修改。近年来在EMC预测技术应用需求的推动下，我们研发设计了这种近/远场的统一算法，并已在多种场合下应用，效果良好。统一算法的基本考虑：算法依据于下述原理：（1）离散天线单元辐射场的可叠加性。（2）一个阵列天线是由很多离散天线单元组合而成的，根据等效原理和采样原理，任意口面天线能够分割为许多辐射单元。（3）若一个天线的观察点位于每一个辐射单元的远区场，但它可能处于整个天线的近场区（若场点距离是R，工作波长是λ，L是辐射单位的最大尺寸，D是天线的最大尺寸；则一般有：R2Lv/λ，R2D2/λ）。ITC：高教授，对于‘统一’算法您能具体举例说明一下吗？高教授：好的。统一算法框架：确定辐射口面：按等效原理得到其辐射单元的电（磁）流分布，按采样原理决定其单元间间隔（一般为d≤ λ/2）。确定系统坐标系和单元坐标系：一般两者皆使用笛卡尔坐标系和球坐标系，每个单元均有自己独立的坐标系。确定单元远区辐射场。确定观察点P的总场，依据单元场的可叠加性有： 这里i,j,k分别是单元沿x,y,z轴向的编号。 统一算法适用于：计算任意天线的近区和远区场，也能计算近区和远区天线的方向性系数。统一算法证实：下述实例计算表明了统一算法结果是准确的。例1 ： 一个矩形开口波导， 其尺寸是：a=53.34cm,b=26.67cm；工作频率：f=500MHz。在沿口面轴向R=1.0--4.0m的近场区域计算了电场。其结果（场的分布曲线）与美国国家标准局发表的数据进行比对，一致性好，相对误差约1%。例2：一个均匀场分布的圆形辐射口面，其直径D=10λ，被分割的单元尺寸：△x=△y=0.2λ。在与口面平行距离为10λ的平面上的主极化电场（幅度和相位）被计算，这个近场分布与已发表的用平面波谱法计算结果吻合好。关于计算时间的比较：计算时间是比较各种算法的一个重要因子。统一算法对近场和远场是有相同的模型，因此有相同的计算时间。下面举个实例：例：一个单元间距为λ/2，单元总数为101×101的平面形阵列的远区场被计算，计算方法使用了三种。统一算法是第一种。第二种是一般的远区场计算式（仅考虑观察点到各个单元距离的差值所产生的相位差），最后一种是Fresnel近似式，这种方法可以同时计算近场和远场。由于一般方法仅适用于计算远场，因此计算时间的花费均取相同的远区场计算，以进行比较。其结果（相对计算时间）是： 可见统一算法较一般远场法仅增加了28%的时间，但比Fresnel近/远场算法节省了44%的时间。ITC：高教授，最后请您简要介绍一下国内天线技术的发展趋势。高教授：统一算法具有对任意天线在其近场和远场区域内计算其场值和方向性的能力，条件是仅需变动观察点位置，不需要对算法（程序）进行变动，因此在大范围内观察天线场分布时很适用，特别是在考察天线辐射场的‘过渡区’(即由近场向远场过渡的区域)场的变化特征时能显示它独特的功能。在观察天线近场区域变化特征时，它是一种简便节约时间的方法。近几年来我们已将其用于若干EMC预测的项目中，且效果良好，也用于考察决定天线辐射单元和不同口面形状天线的远场区域临界值的分析中。可以预测，这种简便而快速方法的应用前景是美好的。