口径面天线辐射近区场强计算

利用一种新的天线口径场积分的近似算法和几何绕射理论，并结合实际工程中天线的计算实例，对口径面天线的近区场进行计算，提高了计算的速度，又保证了计算结果的准确性。结果表明，该方法是处理天线辐射近区场强以及电磁兼容问题的一种有力工具。
关 键 词 口径面天线; 辐射近区; 几何绕射; 电磁兼容
在处理天线问题时，通常将天线的周围根据场的特性以及场结构划分为若干区。一般可以粗略的分为远区场和近区场。近区场可以分为感应近区场和辐射近区场，感应近区场是最靠近天线的区域。由电磁场的知识可知，随着天线工作频率的升高，感应近区场的范围不断缩小，到微波波段，感应近区场将不予考虑，而主要考虑辐射近区场[1]。
口径面天线是广泛应用于微波通讯领域内的一种天线，具有较强的方向性。其远区场的计算，有很多成熟的理论和完善的算法，而近区场问题的研究相对较少。但是随着近年来通信事业的飞速发展，各种通信设备大量增加，设备之间的共存性问题(电磁兼容性问题)显得越来越重要，且随着人们环保意识的增强，电磁污染问题开始受到重视，需要确定微波发射设备(主要是天线)的安全范围，即解决辐射近区问题。
早期计算口径面天线辐射近区场问题时，一般都用口径场积分法，但是该方法被积函数复杂，数值计算速度非常慢，不适合工程计算。近年来，人们利用几何绕射理论(Geometrical Theory of Diffraction, GTD)来计算。虽然用几何绕射方法计算速度很快，但它无法计算焦散区的场，因此无法获得完整的辐射近区方向图[2]。利用两者的结合会使计算速度得到显著提高，但还是受到口径场积分方法的限制，计算速度仍然不理想。本文通过对口径场积分的改进，得到计算口径面天线辐射近区场强的表达式，再把它和GTD方法结合，可以提高计算的速度。

2 计算结果
对直径为10个波长(2a=10λ)的圆形口径面天线进行计算。在天线的焦散区和轴向采用式(3)进行计算，其余的区域用GTD方法，用式(4)。最后所得到的结果如图3～5所示。 观察面上到z轴的距离/λ场强/Vm 观察面上到z轴的距离/λ场强/Vm
图3 辐射近区的场强分布(2a=10λ, z=2λ) 图4 辐射近区的场强分布(2a=10λ, z=10λ)
图中的纵坐标是用场强表示，而不用dB，是因为在计算天线辐射近区场时，一般有关文献都是给出场强的值，本文为了方便和其他文献中的结果对比，所以也采用这种表示方法。该天线的口径面的直径都是10个波长，这只是计算时随机取的数值，它还可以计算更大口径的天线(100λ以上)。
图5 辐射近区场强分布(2a=10λ, z=20λ)
根据天线的知识，在辐射近区内，天线的方向图与距离有关，在图中直观的反映出来，和远场辐射特性是不相同的。
3 结 束 语
通过口径面积分公式的近似和几何绕射的方法结合，不但可以得到口径面天线完整的辐射近区内的方向图，还可以提高计算速度。只要结合相应的几何绕射公式，该方法不仅可以计算圆形口径的天线近区场，还可以计算其他形状口径天线的近区场。