预测介质涂敷目标上天线间电磁耦合度的方法与系统与流程

本发明涉及电磁兼容领域，更具体地，涉及一种预测介质涂敷目标上天线间电磁耦合度的方法与系统。

背景技术：

目前，随着电子科学技术的发展，大多使用介质涂敷的方法来降低被跟踪的可能性。天线存在的电磁环境复杂，而放置在介质涂敷目标上的多部天线更容易发生电磁耦合，因此分析复杂的耦合路径对天线的电磁兼容具有一定的指导意义。

在机载平台上，天线的主要功能是将发射机馈送来的电信号转换成为电磁波，辐射到自由空间中；或者接收自由空间中微弱的电磁波信号，转换成为电信号，并输入到高灵敏度的机载接收机中。而天线大多集中在飞机表面的有限空间里，天线和天线之间存在的耦合干扰会对天线的正常工作造成影响。电磁兼容三要素包括干扰源，敏感设备和耦合通道。有效地抑制电磁干扰，只要切断电磁三要素中的任意一个就可以改善系统的电磁兼容性。

对天线间电磁干扰进行电磁兼容仿真分析，主要是分析电磁耦合路径，常用的方法有电磁拓扑方法，即利用电磁拓扑理论对复杂传输线网络的耦合问题进行研究分析，研究电磁脉冲传播与耦合问题以及研究多层电磁屏蔽条件下电子器件之间的相互耦合问题，利用电磁拓扑进行计算。

传统的电磁拓扑方法难以对系统进行准确的分层，且各独立单元之间传递函数计算复杂，而且针对有介质涂敷目标上的天线间的电磁耦合分析帮助较少。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的预测介质涂敷目标上天线间电磁耦合度的方法与系统。

根据本发明的一个方面，提供一种预测介质涂敷目标上天线间电磁耦合度的方法，包括：

S1，利用电磁波一致性几何绕射方法分解天线总场，获得绕射场和所述介质产生的表面波场，并获取所述介质的电磁波反射特性；

S2，基于所述绕射场、所述表面波场及所述介质的电磁波反射特性，利用天线端口网络模型获取二端口间的电磁波散射系数，以预测所述介质涂敷目标上天线间的电磁耦合度。

S1进一步包括：

S1.1，将天线总场分解为直射场，反射场，绕射场及所述介质产生的表面波场，屏蔽所述直射场和所述反射场，获得所述绕射场及所述表面波场；

S1.2，利用电磁模型获取所述介质的介电损耗参数和磁能损耗参数，获取所述介质的电磁波反射特性参数。

S2进一步包括：

S2.1，利用微波网络散射矩阵建立天线端口网络模型，获取接收端口匹配负载时的二端口网络模型；

S2.2，基于所述绕射场和所述表面波场，根据二端口网络的耦合度表征方法，获取所述电磁波散射系数与所述介质的电磁波反射特性的定量表示。

根据本发明的另一个方面，提供一种预测介质涂敷目标上天线间 电磁耦合度的系统，包括分解获取模块和获取散射系数模块，

分解获取模块，用于利用电磁波一致性几何绕射方法分解天线总场，获得绕射场和所述介质产生的表面波场，并获取所述介质的电磁波反射特性；

获取散射系数模块，用于基于所述绕射场、所述表面波场及所述介质的电磁波反射特性，利用天线端口网络模型获取二端口间的电磁波散射系数，以预测所述介质涂敷目标上天线间的电磁耦合度。

本申请提出的一种预测介质涂敷目标上天线间电磁耦合度的方法与系统，针对涂覆介质目标上的天线的电磁耦合路径进行分析，将天线组成的多端口网络按电磁兼容三要素进行分类，即发射天线作为电磁干扰源，接收天线作为电磁敏感设备，而天线间电磁能量耦合方式则作为电磁耦合通道。当天线平台上涂覆介质后，电磁波入射到介质表面发生透射和反射，反射波会经过介质材料的衰减，反射式耦合能量会有所减弱，而介质在横向上形成了新的耦合通道，形成表面波场。基于理论分析和仿真测量，对天线的总场进行合理分解，利用天线端口网络模型对绕射场及表面波场下的电磁耦合度进行定性分析并给出定量表示，用于预测介质涂敷目标上天线间的电磁干扰程度。

附图说明

图1为本发明预测介质涂敷目标上天线间电磁耦合度的方法流程图；

图2为本发明天线端口网络模型示意图；

图3为本发明二端口网络收发天线示意图；

图4为本发明预测介质涂敷目标上天线间电磁耦合度的系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明所述介质涂覆目标是指设置天线的平台，当天线平台上涂覆介质时，由于介质材料的电磁波特性，会对电磁波的耦合路径产生影响。

本发明所述方法的理论基础是：将天线组成的多端口网络按电磁兼容三要素进行分类，即发射天线作为电磁干扰源，接收天线作为电磁敏感设备，而天线间电磁能量耦合方式则作为电磁耦合通道。当天线平台上涂覆介质后，电磁波入射到介质表面发生透射和反射，反射波会经过介质材料的衰减，反射式耦合能量会有所减弱，而介质在横向上形成了新的耦合通道。通过对天线的总场进行合理分解，就可以定性及定量的分析电磁耦合路径上的各个场耦合。

天线平台上涂敷的介质在电磁环境中产生的作用主要是作为电磁波传播媒质，天线间的耦合本来就易受扰，而天线平台上的介质又为天线间的耦合提供了新的耦合路径，使电磁波耦合及耦合路径更加复杂。

在介质和空气的交界面，天线辐射的电磁波传播到交界面上时一部分透射入介质，另一部分发生反射。如果介质为有耗媒质，则反射波和透射波及介质内部形成的表面波均会产生衰减。介质媒质的电磁参数及电磁波的频率和媒质几何参数的关系决定了反射波和透射波的振幅和相位变化，从而决定了反射系数和透射系数。而介质的反射系数和透射系数是介质涂覆目标上决定天线间的电磁耦合度的重要参数。

如无特殊说明，本发明所涉及的公式及公式中的参数，其含义具有一致性。

如图1所示，预测介质涂敷目标上天线间电磁耦合度的方法，包括：

S1，利用电磁波一致性几何绕射方法分解天线总场，获得绕射场 和所述介质产生的表面波场，并获取所述介质的电磁波反射特性。

S2，基于所述绕射场、所述表面波场及所述介质的电磁波反射特性，利用天线端口网络模型获取二端口间的电磁波散射系数，以预测所述介质涂敷目标上天线间的电磁耦合度。

本发明预测介质涂敷目标上天线间电磁耦合度的方法，因为天线平台上涂覆介质的原因，而在原有的天线总场的基础上又产生了表面波场，使得电磁耦合路径更加复杂。利用电磁波一致性几何绕射方法分解天线总场将天线总场进行分解，获得本发明所分析的绕射场和表面波场下的电磁耦合路径，简化分析与计算。通过分析绕射场下，加所述介质所产生的表面波场下的电磁耦合度，可以比较有介质和无介质情况下的电磁波散射系数的区别，从而预测有介质时，即在介质涂覆目标上天线间的电磁耦合度。

所述S1，利用电磁波一致性几何绕射方法分解天线总场，获得绕射场和所述介质产生的表面波场，并获取所述介质的电磁波反射特性，进一步包括：

S1.1，将天线总场分解为直射场，反射场，绕射场及所述介质产生的表面波场，屏蔽所述直射场和所述反射场，获得所述绕射场及所述表面波场。

S1.2，利用电磁模型获取所述介质的介电损耗参数和磁能损耗参数，获取所述介质的电磁波反射特性参数。

S1.1中，利用电磁波传播的一致性几何绕射理论对天线总场进行合理分解，目的是为了简化分析处理过程，提高定量分析的精度。

所述一致性几何绕射理论主要包括：整个天线的总场由直射场，反射场，绕射场及表面波场组成，以此将耦合路径划分为直射式耦合路径，反射式耦合路径，绕射式耦合路径，表面波式耦合路径。其中所述表面波场为介质横向上形成了新的耦合通道。

首先直射式耦合路径，其干扰能量根据弗里斯传输方程计算，主要取决于天线之间的距离和收发天线的增益，计算公式如下式：

上式中P_r为接收天线接收到的功率，P_t为发射功率，G_r为接收天线增益，G_t为发射天线增益，R为两天线之间的距离。

然后分析反射式耦合路径何绕射式耦合路径，采用一致性几何绕射理论中的经典射线方法，简单易算，能够有效且准确地解决复杂的辐射和散射问题，并克服了在几何阴影边界两侧几何绕射理论失效的缺点，使得总场处处连续。针对反射场，当电磁波源点发出的射线投射到曲面上时，就会在曲面表面产生反射射线，形成反射场。当入射线向边缘入射时，在入射点处以边缘为轴，形成射线基坐标系下的绕射场。

在天线总场情况下的电磁耦合路径的分析计算非常复杂，可以采取特定措施屏蔽一些场，而保留另一些场，这样可以简化整个分析计算过程。

本发明所采取的措施有：

在收发天线的上方添加吸收边界，隔断射式和反射式耦合路径上的能量；

或者在收发天线的上方及涂覆介质里面添加吸收边界，隔断直射式、反射式和表面波式耦合路径上的能量。

上述措施中的所述吸收边界，在仿真中可以将仿真模型设置成吸收边界，在试验中可以在涂覆介质中添加吸波材料。

本发明提供一种预测介质涂敷目标上天线间的电磁耦合度，因此考虑在介质中传播的表面波耦合路径上的能量，在收发天线的上方添 加吸收介质，隔断直射式和反射式耦合路径上的能量，剩下绕射式和表面波式耦合路径，对所述绕射式和表面波式耦合路径下的电磁耦合度进行分析，即可比较有/无介质情况下的电磁耦合的区别，进而可以预测介质涂覆目标上天线间的电磁耦合度。

S1.2中，当外部交变电磁场作用于介质时，介质内部产生的电位移矢量D会与外加的交变电场存在一定的相位差，因此介质材料的介电常数会存在实部和虚部，以表征两者矢量的夹角。类似的，介质材料在外部交变磁场作用下内部产生的磁感应强度B也会与外部交变磁场存在相位差，其磁导率也呈现复数的形式，也存在实部和虚部。

具体实施包括：

S1.2.1，获取介质在外加交变电场下的介电损耗参数。

外加交变电场用下式表示：

E＝E_me^jωt

则介质中的电位移矢量D可表示为：

复数介电常数即为电位移矢量D和外加电场E的比值，有：

其实部ε'和虚部ε"分别为：

介电损耗角正切可以用下式进行计算：

其中，ε′为复介电常数中的实部，ε″为复介电常数中的虚部，D_m为介质中的电位移矢量，E_m为外加交变电场，δ_e为电位移矢量落后于外加交变电场的相位角，ε₀为空气中的介电常数，e^jωt为复相位。

其中，复数介电常数的虚部ε″影响了复合材料内部的介电损耗的大小，定义ε″为本发明中的介电损耗参数。

S1.2.2，获取介质在外加交变磁场下的磁能损耗参数；

外加的交变磁场用下式表示：

H＝H_me^jωt

则介质中的磁感应强度可表示为

复磁导率即为磁感应强度B和外加磁场H的比值，为：

复磁磁导率的实部μ′和虚部μ″分别为：

定义磁损耗角正切为复数磁导率的虚部和实部的比值：

其中，μ′为复磁导率中的实部，μ″为复磁导率中的虚部，B_m为介质中的磁感应强度，H_m为外加交变磁场，δ_m为磁感应强度落后于外加交变磁场的相位角，μ₀为空气中的磁导率，e^jωt为复相位。

其中，复合材料复磁导率的虚部μ″影响着复合材料内部对磁能损 耗的大小，定义μ"为本发明中的的磁能损耗参数。

S1.2.3，根据所述介电损耗参数和所述磁能损耗参数，获取所述介质的电磁波反射特性参数，包括反射系数Г和透射系数T。

令：

V₁＝S₂₁+S₁₁

V₂＝S₂₁-S₁₁

上式中正负号的选择应满足|Γ|<1。

可得：

从而获得反射系数Г和透射系数T与所述介电损耗参数和所述磁能损耗参数的定量表示式。其中，μ_r＝μ′+μ″，ε_r＝ε′+ε″，c为真空中传播速度3.0*10⁸，w为电磁波的角频率，L为材料厚度。

所述S2，基于所述绕射场、所述表面波场及所述介质的电磁波反 射特性，利用天线端口网络模型获取二端口间的电磁波散射系数，以预测所述介质涂敷目标上天线间的电磁耦合度，进一步包括：

S2.1，利用微波网络散射矩阵建立天线端口网络模型，获取接收端口匹配负载时的二端口网络模型；

S2.2，基于所述绕射场和所述表面波场，根据二端口网络的耦合度表征方法，获取所述电磁波散射系数与所述介质的电磁波反射特性的定量表示。

S2.1的具体实施包括：

S2.1.1，建立N端口网络模型。

利用微波网络散射矩阵分析方法建立N端口的天线端口网络模型。

所述N端口是指发射天线和接收天线总数量为N的网络，其中N为自然数，N>＝2。

假设和分别为第i端口的入射电压和入射电流；和分别为第i端口出射电压和出射电流；V_i和I_i分别为第i端口的端口电压和端口电流，则有：

其中，Z_0i为第i端口网络的特性阻抗。

由上式可得：

对上式两边除以定义归一化入射波和出射波如下：

解上述方程组，可得到：

建立归一化入射波振幅a_i与归一化出射波振幅b_i的关系矩阵，即可得到N端口微波网络的散射矩阵为：

即[b]＝[S][a]

上式中，又有

散射矩阵元素的定义为：

其中，a_i为归一化入射波振幅，b_i为归一化出射波振幅，S_ij为散射矩阵中的元素，i＝1,2，…N，j＝1,2，…N。

当除j以外的其它端口的入射波为0时，S_ij为端口j用入射电压波a_j激励，测量端口i的出射电压波b_i来获得。S_ii是当其它所有端口接匹 配负载时端口i的散射系数。

S2.1.2，获取N为2时的二端口网络模型，所述二端口网络是指包括一个发射天线和一个接收天线的网络，其中发射天线为第一端口，接收天线为第二端口。

当N＝2时，根据散射矩阵可以得到：

b₁＝S₁₁a₁+S₁₂a₂

b₂＝S₂₁a₁+S₂₂a₂

若收发端口不匹配，设负载的反射系数为Γ_l，即a₂＝Γ_lb₂，则散射矩阵变为：

b₁＝S₁₁a₁+S₁₂Γ_lb₂

b₂＝S₂₁a₁+S₂₂Γ_lb₂

S2.1.3，获取接收端口匹配负载时的二端口网络模型。若第二端口及接收天线匹配负载，即Γ_l＝0，可以得到：

b₁＝S₁₁a₁

b₂＝S₂₁a₁

其中，a₁为第一端口的归一化入射波振幅，a₂为第二端口的归一化入射波振幅，b₁为第一端口的归一化出射波振幅，b₂为第二端口的归一化出射波振幅，S₁₁为第一端口的散射系数，S₁₂为第二端口到第一端口的散射系数，S₂₁为第一端口到第二端口的散射系数，S₂₂为第二端口的散射系数。

以上建立了天线端口网络模型，尤其是建立了二端口网络模型，目的是为了简化分析，在众多天线端口中选择一对收发天线，针对所选择的一对收发天线，利用二端口网络模型来分析它们之间的耦合路径及耦合度。

从天线本身的角度，天线装机之后性能一般不会发生明显变化， 表现在两个方面，其一，若天线性能发生微小变化依然可以工作；其二是多部天线同时安装在同一天线平台上后，彼此之间不会产生较大影响，即一部接收天线除了接收工作信号之后，不应接收到来自另一天线的发射信号。

实际上以上的两个方面并非没有关系，如天线装机后性能变化如果依然满足天线的设计指标，那么就可以说该平台天线设计是可以用于机载平台的，但是性能中变化的某些参数可能给其他天线带来较大影响。从工作频率的角度考虑，天线装机后若发生带宽展宽的现象，那么原有发射天线不会辐射出的谐波或者干扰信号，在天线带宽展宽之后可能会造成意外发射，在接收天线处产生影响。同样，接收天线的频带展宽，也会使其接收到干扰信号的概率和功率值大大增加。从空间辐射的角度考虑，天线在装机后会发生的普遍的电磁兼容问题即天线的方向图畸变，天线的方向图与原天线的方向图产生较大变化，当装机后的平台天线方向图仍然满足天线的设计指标时，天线仍有可能在其他不需要的辐射方向上产生较大辐射，即副瓣电平的增大。

基于以上原因选择一对收发天线利用二端口网络模型来分析它们之间的耦合路径及耦合度。

S2.2的具体实施包括：

S2.2.1，根据接收端口匹配负载时的接收功率和发射端口的发射功率，获得二端口网络的收发天线间的耦合度。

如图2所示，对于N端口的无耗无源网络，假设发射端的入射功率P_in1为：

由发射端的出射功率P_out为：

对于二端口网络，第一端口表示信号通过同轴线等方式传输到的发射天线，所述发射天线向自由空间辐射电磁能量；第二端口表示接收天线，所述接收天线接收空间中的电磁能量，并将电磁能量传输到接收机中。

如图3所示，当二端口接收天线完全匹配时，其接收到的功率可以表示如下：

通过所述发射端的入射功率P_in1与所述发射端的出射功率P_out相减，可得到第一端口发射天线发射功率为：

则所述二端口网络收发天线之间的耦合度可以定义如下：

若第一端口发射天线也连接匹配负载，即S₁₁＝0，则第一端口发射天线与第二端口接收天线间的耦合度C即为

C＝10lg(|S₂₁|²)＝20lg|S₂₁|

所述耦合度C可以用来衡量天线电磁兼容性，预测不同天线间的干扰程度。

P_r为接收天线接收到的功率，P_in为发射天线发射的功率，C为收发天线间的耦合度。

S₁₁和S₂₁为二端口网络收发天线间的散射系数。

S2.2.2，根据所述介质的反射系数Γ和透射系数T，获取在绕射场及所述介质产生的表面波场时的电磁波散射系数S₁₁和的S₂₁定量表示。

通过理论推导与实际测量、仿真相结合，可以得到如下定量结果：

S2.2.2中给出了二端口网络收发天线间的散射系数S₁₁、S₂₁与所述介质的反射系数Γ和透射系数T的关系；当通过实际测量或数据仿真得到了天线平台所涂覆的介质的反射系数Γ和透射系数T时，就可以简单的通过S2.2.2中的公式定量的得到S₁₁和S₂₁，有了S₁₁和S₂₁，就可以计算天线间的电磁耦合度C，从而预测介质涂覆目标上的天线间的电磁耦合度。

如图4所示，本发明还提供一种预测介质涂敷目标上天线间电磁耦合度的系统，包括分解获取模块和获取散射系数模块，

分解获取模块，用于利用电磁波一致性几何绕射方法分解天线总场，获得绕射场和所述介质产生的表面波场，并获取所述介质的电磁波反射特性；

获取散射系数模块，用于基于所述绕射场、所述表面波场及所述 介质的电磁波反射特性，利用天线端口网络模型获取二端口间的电磁波散射系数，以预测所述介质涂敷目标上天线间的电磁耦合度。

本发明与现有技术相比较，从天线平台涂覆的介质所提供的耦合路径的角度进行电磁兼容性分析，用传输/反射法进行介质的复介电常数和复磁导率的测量；建立了电磁分析模型，通过设置不同的结构参数和电磁参数进行分析，具体采用了仿真和理论分析相结合的方式，分析了介质材料对电磁波的反射特性。

利用一致性几何绕射方法分析反射场和绕射场，并采取了实际的手段规避了直射式和反射式耦合路径上的能量，仅仅对有介质时绕射式耦合路径的分析，即对绕射场和表面波场进行分析，简化了分析计算的过程，解决现阶段天线平台上涂覆介质时的耦合路径复杂不易进行电磁兼容性分析的实际问题。

本发明在对天线电磁兼容问题分析的基础上，利用微波网络散射矩阵的相关理论，将收发天线等效成为二端口网络，确定了以天线间耦合度表征天线间干扰程度的方法，可以用于天线间耦合度变化的预测分析。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。