一种水面平台上中短波天线仿真的建模方法

技术领域

本发明属于中短波天线设计和电磁兼容技术领域，更具体地，涉及一种水面平台上中短波天线仿真的建模方法。

背景技术

天线的安装平台及环境会在一定程度上影响天线的电性能，特别是当天线的工作频率对应的波长与安装平台的尺寸在同一数量级时这种影响更明显，经常会出现测试时性能良好的天线，安装于实际工作环境后性能不佳的情况。为了应对这种情况，在前期的仿真设计阶段，往往需要将天线与安装的载体平台一体化设计，即在安装平台的结构及天线安装位置已知的情况下，在天线设计及调整的过程中，考虑进安装平台的影响因素。

对于安装于卫星、车体等的短波天线，由于环境影响较小，一般只需考虑安装平台的影响效应即可。安装于水面平台上的中短波天线，一般为单极子天线的形式，在短波频段的低端和中波频段，天线工作频率对应的波长达几百米，舰船的长度与波长相当或小于波长，而天线本身的尺寸远小于波长，天线性能不仅受安装平台的影响，受海水这种环境因素的影响也很大。当建模时不考虑海水的影响或者仅考虑海水的反射效应时，仿真得到的结果中船体会成为主辐射体，这种仿真结果与实际测试结果不相符。如何建模才能准确预测安装环境的影响效果，仍未能得到很好的解决。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种水面平台上中短波天线仿真的建模方法，把载体和环境的影响同时考虑在内，进行一体化建模。

为实现上述目的，本发明提供了一种水面平台上中短波天线仿真的建模方法，包括：

根据舰船实际工作状态下的吃水深度确定甲板面距海平面的高度；

根据舰船的实际结构及甲板面距海平面的高度，对船体与海水进行一体化建模；

把海水当作无限大半导电媒质进行建模，按照中短波天线的结构及在水面平台上的安装位置与安装姿态对天线进行建模。

在一些可选的实施方案中，媒质的相对介电常数设置为80.0，电导率设置为4.0S/m

在一些可选的实施方案中，所述根据舰船的实际结构及甲板面距海平面的高度，对船体与海水进行一体化建模，包括：

根据舰船的实际结构及甲板面距海平面的高度，将船体与海平面接触的平面作为船底，对船体位于海平面以上部分进行完整建模，对船体没入海水中的部分进行删除。

在一些可选的实施方案中，将船体作为金属体与海水这种无限大半导电媒质相接，共同成为中短波天线的安装载体。

在一些可选的实施方案中，建模工具为电磁仿真软件FEKO。

在一些可选的实施方案中，建模时，甲板面为XOY平面，沿船的长度方向为X轴方向，沿宽度方向为Y轴方向，垂直于甲板面向上的方向为Z轴方向。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

在本发明的建模方法中，对安装载体与环境进行一体化建模，船体作为金属体与海水这种无限大半导电媒质相接，共同成为中短波天线的安装载体，可用于准确预测安装环境的影响效果，符合这种工作场景下对天线方向图的要求，也与实际使用中的效果相符。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种计算模型示意图；

图2是本发明实施例提供的一种不考虑海水影响时的增益方向图；

图3是本发明实施例提供的一种船体与海水不相接时的增益方向图；

图4是本发明实施例提供的一种船体与海水相接时的增益方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一个实施例包括典型水面平台计算模型，建模工具为电磁仿真软件FEKO，运行环境为windows 10。

实施例中的中波天线位于甲板外边缘处，天线的工作频率为400KHz，天线的高度为14.5米。甲板面的长度约为0.45个波长，甲板面距海面的高度约为0.025个波长，天线的高度仅约为0.02个波长。海水的具体参数为：相对介电常数为80.0，电导率为4.0S/m。分别采用几种不同的建模方法进行仿真，来对比不同建模方法对计算结果的影响。建模时，甲板面为XOY平面，沿船的长度方向为X轴方向，沿宽度方向为Y轴方向，垂直于甲板面向上的方向为Z轴方向。

(1)模型A：不考虑海水的影响

当对天线与船体进行一体化建模，不考虑海水的影响时，计算得到的天线远场辐射增益方向图如图2所示。

该方向图的最大增益约为2.15dBi，根据此方向图的形状和增益值大小来判断，船体起到了水平极化辐射天线的作用，与垂直极化单极子天线一起，形成了偶极子天线的辐射模式，而垂直极化天线本身的辐射很微弱。

(2)模型B：船体与海水不相接

适当拉远船底与海平面的距离，让船底在海面上方0.027波长处，甲板距海面的高度约为0.045个波长，把海水当作无限大半导电媒质建模。此模型下，由于船体与海水不相接，海水的影响主要为对入射到海面上的电磁波起反射作用。计算得到的天线远场辐射增益方向图如图3所示。该方向图的最大增益约为7.8dBi，根据此方向图的形状和增益值大小来判断，此时主要辐射模式仍为船体的水平极化辐射，海水起到了无限大反射面的作用。

(3)模型C：船体与海水相接

当按舰船实际工作时的场景来建模，甲板距海面的高度约为0.025个波长，船底刚好与海水相接，把海水当作无限大半导电媒质建模。此模型下，由于船体与海水相接，海水的影响除了对入射到海面上的电磁波起反射作用外，更主要的作用是成为单极子天线下方金属地板(即船体)外围的无限大有耗地板。计算得到的天线远场辐射增益方向图如图4所示。该方向图的最大增益约为4.5dBi，根据此方向图的形状和增益值大小来判断，此时主要辐射模式为立于无限大地板上的垂直极化单极子天线的辐射模式。

从以上三种模型计算得到的增益方向图可以看出，对于位于水面平台上的中波天线，三种不同的建模方法得到了截然不同的结果。模型A采用的是天线与安装平台一体化建模，是当前对此类问题的常用建模方法；模型B将天线与安装平台一体化建模，部分考虑了环境(即海水)的影响效应；模型C根据实际的工作状态将天线、平台、环境这三者一体化建模。

模型C是按照天线的实际工作场景进行的建模，天线位于舰船平台上，船底与海水一体。一方面，模型C与实际工作场景相符。另一方面，依据模型C得到的仿真结果与该频段电波传播的特点相符：垂直极化利于地波传播模式，由于频率很低，可覆盖近、中、远距离；水平极化模式利于天波传播模式，存在近距离的辐射盲区，且该频段采用天波传播模式时电离层吸收明显导致信号衰减过大。根据反馈，目前该频段天线使用效果良好，根据电波传播特点反推，天线的实际工作模式应该是垂直极化辐射，利用空气-海水的分界面采用地波传播模式工作的。几种建模方式中，只有模型C能够得到垂直极化的辐射模式，符合实际使用中对天线方向图的要求。

当工作频率很低时，船体金属结构在半个波长左右，如果不考虑海水的影响，船体本身会起到天线的作用形成水平极化辐射模式；此时若船体与海水一体化建模，则船体与海水的作用为无限大半导电媒质，充当天线的地板，天线为主辐射结构，形成垂直极化辐射模式。由于地板为无限大，在垂直极化辐射模式下，天线的水平面方向图的不圆度为0dB。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。