振子型电小天线近区辐射场强的快速预测

TransactionsofBeijingInstituteofTechnology

Vol.23　No.1Feb.2003

　　文章编号:100120645(2003)0120112204

振子型电小天线近区辐射场强的快速预测

王学田,　高本庆

(北京理工大学信息科学技术学院电子工程系,北京　100081)

摘　要:一般大型移动平台(如:舰船、飞机等)上都布置有多台短波、中波电台,同时伴有大量武器装备Ζ研究用于平台EMC预测的电台天线近区辐射场电场强度的快速预测公式Ζ从电偶极子和短振子线天线近区辐射场公式出发,经过理论推导,得到了振子型电小天线近区辐射场电场强度的快速预测公式Ζ该公式可方便快捷地计算出振子型电小天线近区的辐射场强值,其公式计算结果与MOM数值计算结果基本一致Ζ关键词:电小天线;近区场;EMC预测中图分类号:O41414　　　文献标识码:A

FastPredictionofNearFieldStrengthRadiatedbySmallAntennasWANGXue2tian,　GAOBen2qing

(DepartmentofElectronicEngineering,SchoolofInformationScienceandTechnology,BeijingInstituteof

Technology,Beijing

100081,China)

Abstract:Largesizedmoving2equipments(e.g.warships,airplanes,etc.)arenormallyequippedwithmanyradiocommunicationstationsandweapons,formulasareoftenrequiredforthefastestimationofthefieldstrengthradiatedbytheantennasofsuchradiocommunicationsystemonnearbyareasforEMCanalysisandprediction.Throughanalysisandtransformationofformulasonthebasisofnearfieldformulasforthesmallantennas(electricaldipoleandshort2elementantenna),formulasforthefastestimationoftheelectricfieldstrengthantennasonthenearbyareasoftheantennaarederived.

radiatedfromsmall

Theyarehandyforuseandthe

calculatedresultsareingoodagreementwithresultscalculatedwiththeMOMmethod.Keywords:smallantenna;nearfield;EMCprediction

　　大型移动平台(如:舰船、飞机等)上电台天线之间以及天线与武器装备之间相距都很近,作为敏感设备的电台和武器装备都处在电台天线辐射场的近区Ζ对这些敏感设备处场强的预测是系统EMC预测和设计的重要内容Ζ目前,一般采用矩量法(MOM)或有限插分法(FDTD)进行预测[1～6]Ζ采用这些方法对于单一天线是可行的,并且可以得到较

收稿日期:20020530

基金项目:国防跨行业预研项目(4130303023)作者简介:王学田(1961-),男,研究员Ζ

高的预测精度,但对有多组发射天线的大型移动平台,预测的技术难度和工作量都很大Ζ随着平台上设备数量的不断增加,使得采用MOM或FDTD进行平台EMC预测很难在较短的时间内完成Ζ因此,分析预测结果不能指导总体方案设计和天线布局设计Ζ为了在较短时间内完成预测分析并进行天线布局优化设计,需要建立简单、方便、快捷,而又具有一

　第1期王学田等:振子型电小天线近区辐射场强的快速预测311

定工程精度的预测公式,并且在发射天线电流分布和幅度未知的情况下进行计算Ζ

作者从电偶极子和短振子线天线近区辐射场出发,经理论推导和分析,建立了振子型电小天线近区辐射场强的快速预测公式Ζ只要知道电台发射功率和工作频率便可以用该公式方便快捷地计算出近区某点的辐射场强Ζ在2～30MHz短波频率范围内,与MOM数值计算结果相比,使用快速预测公式的预测精度不低于6dBΖ

󰃜Er󰃜1=240ΠcotΗ,󰃜HΥ󰃜kr

󰃜EΗ󰃜11+(kr)6

(5)=120Π,

󰃜HΥ󰃜kr1+(kr)2󰃜Er󰃜1+(kr)2

=2cotΗΖ6󰃜EΗ󰃜()1+kr

112　短振子线天线物理量的计算表达式

短振子线天线是指天线长度l介于Κ󰃗50～Κ󰃗10和天线半径RνΚ的情况,大型移动平台上的短波电台发射天线都属于短振子线天线Ζ短振子线天线上电流分布近似为三角形分布[2],其表达式为

^

1　电偶极子和短振子线天线近区辐射

场分析

111　电偶极子天线物理量的计算表达式

zI0(l-2z󰃗l)zI0(l+2z󰃗l)

0≤z≤-llI(z)=

2

^

Ζ(6)

　　电偶极子是指天线长度l和天线半径R远小于波长Κ的情况,大型移动平台上的中波电台发射天线都属于电偶极子天线Ζ

电偶极子天线上电流分布可以按照均匀分布[2]^

I(z)=zI0考虑,其近区辐射场强为I0lcosΗ1-j

Er=601+e2

jkrΠr

kr

2

≤z<0

短振子线天线近区辐射场强为[2]

I0lcosΗ1-jkr

Er=301+e,2

jkrrkI0lsinΗ11-jkr

1++EΗ=j15,2ejkr(jkr)r

HΥ=j

kI0lcosΗ1-j1+e

8Πrjkr

kr

(7)

,

kr

,

kI0lsinΗ11-j

1++EΗ=j302ejkr(jkr)ΠrHΥ=j

kI0lcosΗ1-j1+e

4Πrjkr

kr

EΥ=Hr=HΗ=0Ζ

,

(1)

,

EΥ=Hr=HΗ=0Ζ

电偶极子近区辐射场存在径向和周向两个方向的功率流密度Ζ其中径向功率流密度由两部分组成

(一部分是实功率流密度,另一部分为虚功率流密度),而周向功率流密度全部为虚功率流密度Ζ总功率流密度表达式为

I0l1S=E×H=15Π2

2r

I0l15j

r

2

2

sin2Ηr

2

1-j

󰁢

1kr

3󰁢

r+

sin2Η1+2r

1kr

2ΖΗ(2)

沿径向运动的复功率流中穿出整个球面的虚功率部分Prm与实功率部分Prad之比由波长与距离的比值决定,其表达式为

Prm1=3Prad8Π

Κr

3

≈01004

Κr

3

Ζ(3)

周向功率流密度SΗ与径向实功率流密度Sad的比值与Η角、波长Κ和距离r有关,其关系为

SΗΚ=cotΗ1+SadΠ

对比电偶极子和短振子线天线近区辐射场表达式可以看出,短振子线天线近区辐射场各个分量相对于电偶极子天线近区辐射场各个分量的幅度降低50%,而其它关系不变Ζ因而两者物理量的计算表达式具有相同的形式,并且近区辐射场各分量间幅度的比值关系不变Ζ113　分析与讨论

在计算场点与发射天线间的距离不超过几十米,而Κ>10m情况下,两种天线近区辐射场都具有如下特点:

①近区辐射场的Er分量不可忽略,特别是当

,krν1时,Er分量与HΥ分量幅度之比远大于120Π

表明近区辐射场以静电场为主,近区储能主要为电储能;　　

②对于长波电台,Κµr,穿出球面的径向虚功率与实功率处于同一量级,甚至更大;对于短波电台,波长与距离处于同一量级,穿出球面的径向虚功率远小于实功率;

③在Η角较小时,cotΗµ1,沿周向运动的功率流密度远大于沿径向运动的功率流密度的实部Ζ

Κ2Πr2Ζ(4)2　电场强度快速预测公式

如果发射天线上的电流分布和幅度已知,其近

电偶极子辐射场各分量间幅度的比值关系为

411北京理工大学学报第23卷　

区辐射场电场强度的r和Η分量就可以利用式(1)或式(7)计算出来Ζ但是,在对大型移动平台进行方案设计时,要想获得在移动平台环境下这些发射天线上的电流分布和幅度,必须采用数值方法进行大量复杂的计算Ζ

在不考虑场点与天线之间存在遮挡物或遮挡物电尺寸很小的情况下,由式(2)可以看出,在天线近区实功率流密度只有一项Ζ所以认为此实功率流密度是与天线辐射功率对应的,即

〈S〉=

Pt12

),󰃜EΗ󰃜󰃜HΥ󰃜=,Υ2GtF(Η24Πr

315

1PtΚ(d2u+4h2)r

2

1󰃗2

ru

,(11)

式中　d和h分别为场点至天线馈点的径向距离与

高度差Ζ式(11)即为用于振子型电小天线近区辐射场强的快速预测公式Ζ

3　计算结果与误差分析

应用快速预测公式计算了某短波电台和中波电台天线近区辐射场强Ζ短波电台发射功率为1kW,辐射效率为0180Ζ当h=1m,d分别为2,5,8,11m时近区辐射场强与频率的对应关系如图1所示(图中:①表示MOM计算结果,②表示作者计算的结果)Ζ

为了检测快速预测公式计算结果的误差,选用了某研究所应用MOM对舰载短波电台天线近区辐射场强的数值计算结果,其对应结果如图1所示Ζ从图1可以看出:除2MHz频率点外,快速预测公式计算结果与MOM计算结果误差不大于3dBΖ　　中波电台发射功率为100W,辐射效率为0101Ζ当h=0m,d分别为4m,5m时不同频率下的近区辐射场强如表1所示Ζ

(8)

式中　Pt为电台的标称发射功率;Gt为天线的增

)为功率方向性系数;r为场点至天线馈益;F2(Η,Υ点的距离Ζ

为了求得电场强度与辐射功率的关系,并且电场幅值与磁场幅值之比已知,设

u=

1+(kr)6󰃗[1+(kr)2],

(9)(10)

则有

1󰃜EΗ󰃜22

60ΚrPt4Θ2

u=Ζ2

4ΠrΠr

近区电场复矢量由两项构成,其总场强幅度为2

󰃜E󰃜=(󰃜Er󰃜2+󰃜EΥ󰃜2)1󰃗=

(a)d=2m(b)d=5m

(c)d=8m(d)d=11m

图1　某短波电台近区辐射场强计算结果

Fig.1　CalculateddataoftheelectricfieldstrengthradiatedbytheHFradiocommunicationstationonnearby

areasofitsantenna

　第1期王学田等:振子型电小天线近区辐射场强的快速预测表1　某中波电台不同频率下的近区辐射场强

.1　ElectricfieldstrengthbytheradiocommunicationstationTab

511

d󰃗m

(V・m-1)E󰃗

f=450kHz

f=500kHz

f=550kHz

f=600kHz

f=650kHz

f=700kHz

f=750kHz

45

113108017

107107616

102107310

97177010

94106710

90146416

87136214

4　结束语

从电偶极子和短振子线天线近区辐射场出发,

经理论推导和分析,建立了振子型电小天线近区辐射场强的快速预测公式Ζ利用该公式,只要知道发射功率和工作频率便可以方便快捷地计算出近区某点的辐射场强Ζ在短波频率2～30MHz范围内,经与MOM数值计算结果对比,预测公式精度不低于6dBΖ该快速预测公式具有一定的工程适用性Ζ

天线近区辐射场原理复杂,其能量转换关系尚需要深入研究Ζ此外,面天线近区辐射场强的快速预测和在天线与场点间存在遮挡物情况下的近似处理方法研究也是大型移动平台电磁环境预测急需解决的问题Ζ

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