物理光学方法在预测线天线辐射模型中的运用

摘 要：线天线属于天线的一种，其构成是线径远远小于波长，其长度可以和波长相比的多根或一根金属导线。线天线主要在超短波、短波、中波和长波波段中应用，用来接收或者是发射天线。在线天线辐射模型的预测中，物理光学方法具有一定的优势，其主要特点是比较容易开展程度编写，同时能将天线方向图实际情况进行准确反映。文章主要分析物理光学方法、矩量运算、MM-PO混合法及弱耦合分析在线天线辐射模型预测中的运用。

关键词：物理光学方法；矩量法；线天线辐射模型；弱耦合分析

中图分类号：TN820 文献标志码：A 文章编号：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

在天线问题的分析中，经典方法有几何绕射法、物理光学法和几何光学法等。采用何种分析方法主要有天线面的所处场区（是远场还是近场）、馈源所在位置、馈源所采取的馈电方式和天线尺寸等决定。假如天线面的大小适中，并且和馈源的距离超过10个工作波长的时候，就能够利用物理光学法对天线问题进行快速而准确的分析。线天线的工作原理主要是场强叠加的原理。

1 线天线辐射模型预测中应用物理光学方法的必要性

线天线基本理论主要是利用物理和数学有关方法进行运算，并将导线形成的天线或者天线阵的问题分析出来。天线或天线阵的问题主要是辐射场、输入阻抗的指标值、天线内电流分布等等内容。不同研究对象需要采取不同数理方法，依据积分运算的原理和有关假设对线天线电流分布的情况进行求解。然而，采取这种类型的运算方式达不到线天线辐射模型进行有效预测需要的指标数值，所以必须要积极研究和应用物理光学方法。物理光学方法主要是利用各种介质中光的传输特征和光的基本特征，计算电磁场中有关指标数值的一种方式。研究物理光学法和矩量运算的有效结合，能够有效提升预测线天线辐射模型中数据的精确性。

2 物理光学法的内涵

在高频近似的分析法中，物理光学法是其中一种分析方法，其主要特点是把光当成电磁波。散射体已经不是散射来源，散射来源变成了散射体表面分布的感应电流。通常情况下，要想对散射体表面分布的感应电流进行求解，就一定做出下面这两种假设：（1）感应电流分布区域假设只在物体表面受到入射波照射的一些区域，并且是直接照射到的区域；（2）从电流特性的角度而言，受照射区域中物体的感应电流一致于入射点相切与物体表面时所形成平面中出现的电流特性。假设在自由空间中存在着一个导体，那么表面的入射场和反射长与感应电流之间的磁场关系就是图一所示的样子。在图1中，假如我们把散射体整个看成是电大尺寸时，就可以从中得到分布与这个导体表面的感应电流相似的分布值。通常，感应电流相似的分布值和这个导体的激励磁场。散射磁场、总磁场都有一定比例关系。在简化感应电流变成已知后，就可以利用感应电流相似的分布值对这个导体散射场所取的函数值进行深入推导。利用物理化学的方法对线天线辐射模型的预测就是依照以上的基本步骤开展的。

3 矩量法

线天线的传统理论只有在一根细天线上对电磁辐射求解的场景有效，而在求解耦合线式的天线或者是线天线阵电磁辐射的时候，一定要转化或积分变形电磁辐射。矩量法是一种计算数值的有效方法，可以把单纯积分方程变成矩量方程，借助于計算机的运算程序，可以获得预测线天线中电流分布特征的数值，是在对线天线辐射模型进行预测时的一种重要环节，矩量法基本的运算原理是：（1）假设存在一般形式积分方程，用L（u）g来表示，这个积分方程内，代表所求函数的是字母u，比如想求得的电流，已知激励源的函数是用字母g来表示，从而针对这一积分方程开展加权、代入和展开等一系列的预算，继而获取这个积分方程相对的逆矩量式方程[1]。尤其需要注意的，在利用逆矩量方程对未知函数，比如电流进行求解的时候，要尤其重视取舍权函数、基函数的问题。

4 MM-PO混合法

在对线天线辐射模型进行预测时，结合物理光学方法和矩量法的优势，详细分析混合使用这两种运算方式和弱耦合。（1）依据混合方法的要求，划分导体目标整个运算区域为两个区域，也就是MM区和PO区。可以定义MM区和PO区电流分布为JMM和JPO。要想有效预测和分析MM区和PO区线天线的辐射模型，最为关键的就是建立和磁场、电流、电场有关的积分方程。其一，第一个方程是MM区中电场电流得到满足而获取的积分方程；其二，第二个方程是PO区的电流和磁场相符的积分方程。

第一个方程：

第二个方程：

从第二个方程中中可以知道，这种类型积分方程的最大特征就是将PO分区中内部感应电流的潜在耦合作用忽略掉了，这就表示这种计算积分的公式，从本质而言是一种以目标表面为基础，PO分区中出现电流平坦的一种假定式的运算。在运算中需要明確的是，在第二个方程这种将电流耦合作用给忽略掉来对积分进行运算的方式，尽管能简单化以往比较复杂的积分计算，不过也会导致一定的计算误差，为此要积极急性缩小或者是抑制。

5 弱耦合分析

在划分MM区和PO区中，弱耦合的关键思想就是假定只有距离馈电处不远的MM区天线辐射才可以引发较强感应式的电流。同理可知，和馈电处的距离相对不近的PO区中天线辐射电流相对比较小一些。所以，对于天线的激励作用来说，PO区电流对于MM区造成的作用是非常弱的，而PO区位的耦合作用相比MM区位而言也相对较小。弱耦合思想的启示是在利用弱耦合思想预测线天线辐射的模型时，可以将PO区位产生的电流影响适当略去，只运算MM区位电流的系数就可以了。从这个计算角度出发，计算多次或单次耦合期中PO区位和MM区位中的实际电流，就能够得到线天线最终的辐射模型。在这种运算的过程中，要对散射体求解线天线的互阻抗问题做特别关注，主要用到的公式有两个：

线天线散射场的公式：

洛伦兹公式：

在线天线的散射场公式中代入洛伦兹公式，就可以获得散射体和线天线形成互阻抗的函数表达式[2]。在这个基础之上，依据这个互阻抗的表达公式，将线天线一次耦合后的电流求解出，这也是一个可行措施。线天线一次耦合电流就代表这个线天线辐射场。在对散射体汇总辐射场的函数取值和相位因子造成的误差影响综合考虑的情况下，就可以得到线天线敷辐射模型场的精确值。

6 结束语

在如今的技术条件下作为一种近似高频方法的典型代表，物理光学方法主要在分析电大尺寸问题上比较适用。在运算和分析线天线辐射模型的时候，还需要采用矩量法这一数值化计算方式。这就代表在线天线辐射模型的预测中，可靠性分析和精确运算的关键是利用MM-PO弱耦合简化融合矩量法和物理光学方法。

参考文献：

[1]黄姜玺.物理光学方法在预测线天线辐射模型中的应用[J].电子技术与软件工程，2017（10）：108-108.

[2]谷金禹.物理光学方法在预测线天线辐射模型中的应用探析[J].黑龙江科技信息，2012（6）：94-94.

[3]王洪建，张旭翔.物理光学方法应用于预测线天线辐射模型[J].空间电子技术，2008（01）：67-71.

[4]张强，曹伟.机载超宽带天线罩物理光学分析方法[J].电子与信息学报，2006，28（1）：100-102.

[5]丁皓.迭代物理光学加速及改进方法研究[D].浙江大学，2015.