口徑面天線輻射近區(qū)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算

利用一種新的天線口徑場(chǎng)積分的近似算法和幾何繞射理論，并結(jié)合實(shí)際工程中天線的計(jì)算實(shí)例，對(duì)口徑面天線的近區(qū)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，提高了計(jì)算的速度，又保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，該方法是處理天線輻射近區(qū)場(chǎng)強(qiáng)以及電磁兼容問(wèn)題的一種有力工具。
關(guān) 鍵 詞 口徑面天線; 輻射近區(qū); 幾何繞射; 電磁兼容
在處理天線問(wèn)題時(shí)，通常將天線的周?chē)鶕?jù)場(chǎng)的特性以及場(chǎng)結(jié)構(gòu)劃分為若干區(qū)。一般可以粗略的分為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)和近區(qū)場(chǎng)。近區(qū)場(chǎng)可以分為感應(yīng)近區(qū)場(chǎng)和輻射近區(qū)場(chǎng)，感應(yīng)近區(qū)場(chǎng)是最靠近天線的區(qū)域。由電磁場(chǎng)的知識(shí)可知，隨著天線工作頻率的升高，感應(yīng)近區(qū)場(chǎng)的范圍不斷縮小，到微波波段，感應(yīng)近區(qū)場(chǎng)將不予考慮，而主要考慮輻射近區(qū)場(chǎng)[1]。
口徑面天線是廣泛應(yīng)用于微波通訊領(lǐng)域內(nèi)的一種天線，具有較強(qiáng)的方向性。其遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的計(jì)算，有很多成熟的理論和完善的算法，而近區(qū)場(chǎng)問(wèn)題的研究相對(duì)較少。但是隨著近年來(lái)通信事業(yè)的飛速發(fā)展，各種通信設(shè)備大量增加，設(shè)備之間的共存性問(wèn)題(電磁兼容性問(wèn)題)顯得越來(lái)越重要，且隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，電磁污染問(wèn)題開(kāi)始受到重視，需要確定微波發(fā)射設(shè)備(主要是天線)的安全范圍，即解決輻射近區(qū)問(wèn)題。
早期計(jì)算口徑面天線輻射近區(qū)場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，一般都用口徑場(chǎng)積分法，但是該方法被積函數(shù)復(fù)雜，數(shù)值計(jì)算速度非常慢，不適合工程計(jì)算。近年來(lái)，人們利用幾何繞射理論(Geometrical Theory of Diffraction, GTD)來(lái)計(jì)算。雖然用幾何繞射方法計(jì)算速度很快，但它無(wú)法計(jì)算焦散區(qū)的場(chǎng)，因此無(wú)法獲得完整的輻射近區(qū)方向圖[2]。利用兩者的結(jié)合會(huì)使計(jì)算速度得到顯著提高，但還是受到口徑場(chǎng)積分方法的限制，計(jì)算速度仍然不理想。本文通過(guò)對(duì)口徑場(chǎng)積分的改進(jìn)，得到計(jì)算口徑面天線輻射近區(qū)場(chǎng)強(qiáng)的表達(dá)式，再把它和GTD方法結(jié)合，可以提高計(jì)算的速度。

2 計(jì)算結(jié)果
對(duì)直徑為10個(gè)波長(zhǎng)(2a=10λ)的圓形口徑面天線進(jìn)行計(jì)算。在天線的焦散區(qū)和軸向采用式(3)進(jìn)行計(jì)算，其余的區(qū)域用GTD方法，用式(4)。最后所得到的結(jié)果如圖3～5所示。 觀察面上到z軸的距離/λ場(chǎng)強(qiáng)/Vm 觀察面上到z軸的距離/λ場(chǎng)強(qiáng)/Vm
圖3 輻射近區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)分布(2a=10λ, z=2λ) 圖4 輻射近區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)分布(2a=10λ, z=10λ)
圖中的縱坐標(biāo)是用場(chǎng)強(qiáng)表示，而不用dB，是因?yàn)樵谟?jì)算天線輻射近區(qū)場(chǎng)時(shí)，一般有關(guān)文獻(xiàn)都是給出場(chǎng)強(qiáng)的值，本文為了方便和其他文獻(xiàn)中的結(jié)果對(duì)比，所以也采用這種表示方法。該天線的口徑面的直徑都是10個(gè)波長(zhǎng)，這只是計(jì)算時(shí)隨機(jī)取的數(shù)值，它還可以計(jì)算更大口徑的天線(100λ以上)。
圖5 輻射近區(qū)場(chǎng)強(qiáng)分布(2a=10λ, z=20λ)
根據(jù)天線的知識(shí)，在輻射近區(qū)內(nèi)，天線的方向圖與距離有關(guān)，在圖中直觀的反映出來(lái)，和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性是不相同的。
3 結(jié) 束 語(yǔ)
通過(guò)口徑面積分公式的近似和幾何繞射的方法結(jié)合，不但可以得到口徑面天線完整的輻射近區(qū)內(nèi)的方向圖，還可以提高計(jì)算速度。只要結(jié)合相應(yīng)的幾何繞射公式，該方法不僅可以計(jì)算圓形口徑的天線近區(qū)場(chǎng)，還可以計(jì)算其他形狀口徑天線的近區(qū)場(chǎng)。