本发明涉及天线设计和无线通信领域，具体涉及一种基于电磁偶极子阵列的天线辐射场计算方法。
背景技术：
1、天线是辐射和接收电磁信号的重要器件，是雷达、通信和导航等无线系统的核心组成部分，因此天线的辐射特性对这些系统的性能会产生重要影响。天线辐射特性在近、远场区域表现不同，虽然大量传统应用工作在天线的远场区域，如通信基站和广播电台等，但随着无线技术的发展，其近场应用场景也在不断增多，如大规模mimo阵列、隐形飞机和非接触式充电等。因此，准确、高效地获得天线的远、近场辐射特性对这些系统的设计和性能分析至关重要。
2、天线辐射特性可以从理论分析、数值计算和实验测试三个方面进行研究。理论分析方面，通过求解相应边界条件的麦克斯韦方程组，可以得到线天线、环天线和缝隙天线等结构简单、规则天线的辐射场解析解，但很难直接应用于边界和结构较为复杂的微带和波导等类型天线。
3、数值计算方面，典型的数值计算方法包括矩量法(method of moments,mom)、有限元法(finite element method,fem)和多层快速多极子算法(multi level fastmultipole method,mlfmm)等，这些方法的提出解决了辐射场求解的问题，但它们计算量过大，特别是对于复杂度高，尺寸较大的天线，常常借助天线仿真软件进行。且在远场仿真中，软件仿真仅计算辐射场的角分布，若想得到距天线较远位置任意区域如一条线段或一个面上的辐射场，仿真过程会受到计算机内存的限制，出现运行时间过长、甚至无法求解等情况。
4、实验测试方面，可以利用微波暗室等环境，借助网络分析仪和转台等仪器对天线辐射特性进行测试，但通过测试来获得天线的近场和远场辐射特性，费时费力，而且无法获得天线的辐射特性与其结构的直接联系。另外受到测试场地的限制，难以得到距天线较远位置任意区域的辐射场。
5、综上所述，数值计算是天线辐射场获取的重要途径，但现有数值计算方法的主要缺点包括：
6、(1)无法体现辐射特性与天线结构之间的本质联系。
7、(2)不能同时适用于近场区域和远场区域的求解。
8、(3)计算量与天线尺寸和空间距离成指数增长，无法对结构复杂、规模较大和较远距离的辐射场进行计算。
9、经检索，目前已存在采用粒子群优化算法来寻找具有已知近场的天线的无穷小电偶极子模型的方法，该方法同时适用于近场区域和远场区域的辐射场计算且计算量小，计算结果与仿真结果有良好的一致性。但该方法的等效电偶极子阵列模型分布在天线内部，不能体现出辐射特性与天线结构之间的本质联系，而且该方法在获得天线等效电偶极子模型的阶段迭代次数较多，计算量较大。
10、因此，急需提出一种能够体现辐射特性与天线结构之间的联系、适用于结构复杂的天线，并可应用于远场和近场的高效快速、计算量小的天线辐射特性计算和分析的方法。
技术实现思路
1、发明目的：为解决目前天线辐射场计算方法存在计算量较大、计算方法不适用于不同结构的天线、不能同时适用于近场区域和远场区域求解、以及不能体现出辐射特性与天线结构之间的本质联系等缺点，本发明提出了一种基于电磁偶极子阵列的天线辐射场计算方法。
2、技术方案：一种基于电磁偶极子阵列的天线辐射场计算方法，包括以下步骤：
3、将待计算辐射场的天线表面按照材料、结构进行划分，把天线表面分为多个部分，在各部分上取点，利用惠更斯原理和这些点处的磁、电场强度求得这些点处的等效电、磁流密度；
4、在电流密度不为零的点处放置电偶极子，该电偶极子上的电流密度大小等于该点处电流密度的大小，该电偶极子的方向为该点处电流的方向，在磁流密度不为零的点处放置磁偶极子，该磁偶极子上的磁流密度大小等于该点处磁流密度的大小，该磁偶极子的方向为该点处磁流的方向，从而得到天线的等效偶极子阵列模型；
5、根据各部分面积比例及取点个数确定各部分电、磁偶极子阵列的辐射场在天线总辐射场中的加权系数，各部分无穷小电偶极子和磁偶极子激发的场乘以该部分的加权系数后求和，得到天线辐射场计算结果；
6、采用遗传算法对每个部分的电偶极子和磁偶极子的加权系数进行优化调整，得到天线辐射场的最终计算结果。
7、进一步的，所述的将待计算辐射场的天线表面按照材料、结构进行划分，把天线表面分为多个部分，在各部分上取点，利用惠更斯原理和这些点处的磁、电场强度求得这些点处的等效电、磁流密度，具体包括：
8、将待计算辐射场的天线表面按照材料、结构进行划分，把天线表面分为多个部分，在各部分上取点，假设把天线表面分为y个部分，把y个部分依次编号y＝1,2,…,y，第y部分所取点数量为ny，点均匀分布，所取点依次编号为(y,1),(y,2),…,(y,ny)，ds(y,k)表示点(y,k)所在网格的面积；
9、每个部分的面积用sy表示：
10、
11、sy看作每个部分的电偶极子和磁偶极子在生成的天线辐射场所占的比重的系数；
12、基于惠更斯原理的离散格式，表示为：
13、hj,r,n＝hj,θ,n＝0
14、
15、
16、
17、ej,φ,n＝0
18、em,r,n＝em,θ,n＝hm,φ,n＝0
19、
20、
21、
22、en＝ej,n+em,n
23、hn＝hj,n+hm,n
24、其中：
25、er,n＝ej,r,n+em,r,n,hr,n＝hj,r,n+hm,r,n
26、eφ,n＝ej,φ,n+em,φ,n,hφ,n＝hj,φ,n+hm,φ,n
27、eθ,n＝ej,θ,n+em,θ,n,hθ,n＝hj,θ,n+hm,θ,n
28、其中，hj,r,n,hj,θ,n,hj,φ,n依次表示第n个观测点处由等效电流产生的磁场强度h在球坐标系下的r,θ,φ分量；
29、js,(y,z)表示天线表面第(y,z)个点处的等效电流密度；
30、θ(y,z),n表示天线表面第(y,z)个点处电/磁偶极子方向和第n个观测点与该点连线构成的夹角；
31、r(y,z),n表示天线表面第(y,z)个点与第n个观测点之间的距离；
32、k表示波数；
33、ej,r,n,ej,θ,n,ej,φ,n依次表示第n个观测点处的由等效电流激发的电场强度e在球坐标系下的r,θ,φ分量；
34、η表示波阻抗；
35、em,r,n,em,θ,n,em,φ,n表示等效磁流在第n个观测点处激发的场的电场强度e在球坐标系下的r,θ,φ分量；
36、ms,(y,z)表示天线表面第(y,z)个点处的等效磁流密度；
37、hm,r,n,hm,θ,n,hm,φ,n表示等效磁流在第n个观测点处激发的场的磁场强度h在球坐标系下的r,θ,φ分量；
38、ej,n、em,n分别表示第n个观测点处的由等效电流和等效磁流激发的电场强度；
39、hj,n、hm,n分别表示第n个观测点处的由等效电流和等效磁流激发的磁场强度；
40、en,hn表示等效电磁流在第n个观测点处激发的场。
41、进一步的，所述的根据各部分面积比例及取点个数确定各部分电、磁偶极子阵列的辐射场在天线总辐射场中的加权系数，各部分无穷小电偶极子和磁偶极子激发的场乘以该部分的加权系数后求和，得到天线辐射场计算结果，具体包括：
42、
43、
44、式中，表示第y部分的电偶极子阵列在第n个观测点处激发的电场的计算结果，表示第y部分的磁偶极子阵列在第n个观测点处激发的电场的计算结果，表示第y部分的电偶极子阵列在第n个观测点处激发的磁场的计算结果，表示第y部分的磁偶极子阵列在第n个观测点处激发的磁场的计算结果；其中符号表示向上取整。
45、进一步的，所述的采用遗传算法对每个部分的电偶极子和磁偶极子的加权系数进行优化调整，得到天线辐射场的最终计算结果，具体包括：
46、构建目标函数：
47、find χ＝[c1 c2 … cy]
48、
49、s.t.cy≥0
50、式中，为采用全波仿真软件，仿真待计算辐射场的天线在空间中多个点处激发的电场强度和磁场强度得到的仿真结果；
51、采用遗传算法对目标函数进行求解，得到最小f对应的χ，基于最小f对应的χ可得待计算辐射场的天线的各部分面积比例；
52、根据待计算辐射场的天线的各部分面积比例，以及取点个数确定各部分电、磁偶极子阵列的辐射场在天线总辐射场中的加权系数，各部分无穷小电偶极子和磁偶极子激发的场乘以该部分的加权系数后求和，得到天线辐射场计算结果。
53、进一步的，所述的采用遗传算法对目标函数进行求解，得到最小f对应的χ，具体包括：
54、步骤1：初始化χ0中各元素的值由各部分面积比例确定；令i＝0，并且确定阈值threshold，最大循环次数max_for，计算fi的值，若存在fi＜threshold，则停止计算，输出最小fiy对应的否则给出χi的y个变异体选择fiy值最小的三个记为
55、步骤2：根据给出的计算fi1,fi2,fi3；
56、步骤3：若存在fiy＜threshold，或者循环次数已经达到max_for，则停止计算，输出最小fiy对应的否则给出χi的y个变异体选择fiy值最小的三个从小到大依次赋值给令i＝i+1，返回步骤2。
57、有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
58、(1)本发明方法聚焦于天线辐射场的计算，提出了惠更斯原理的一种离散格式，进而得到天线的等效电磁偶极子阵列模型；从惠更斯原理的离散格式得出天线的等效电磁偶极子阵列模型的步骤是先对离散格式进行简化，然后用遗传算法优化比例系数；其中对离散格式的简化包括：天线表面根据材料和位置分为几部分，在各部分均匀取点，相比于直接使用离散格式进行计算，每个点处都可以节省一次乘法计算的内存损耗；根据已有知识和观察天线表面电磁流分布，去掉一些部分中的电偶极子或磁偶极子，减少计算量；
59、(2)相比于直接利用粒子群优化算法获得等效电偶极子阵列模型，利用本发明方法得到天线的等效电磁偶极子阵列模型和辐射场后，可以直观地体现天线结构与辐射场之间的联系，指导天线的设计和优化。因为从等效电磁偶极子模型可以得出贴片、介质板、接地面等各种天线结构中等效电磁偶极子的分布规律，而无穷小电磁偶极子的辐射场是已知的，可以通过每个电磁偶极子对整体辐射场的贡献得到天线各部分结构对整体辐射场有怎样的贡献，从而得出天线结构与辐射场之间的联系；而且由于本发明方法中，最优化问题的参数(各部分比例系数)初值的确定有理论基础，与最佳参数之间的误差很小，可以以很少的迭代次数得到最佳参数；
60、(3)相比于完全数值方法，本发明为一种半解析的方法，用数值方法获得偶极子阵列模型后，用电(磁)偶极子的辐射场表达式计算出单个电(磁)偶极子的辐射场，然后把偶极子阵列的辐射场叠加得到天线辐射场；在计算距离天线很远的线段和平面的辐射场时并不会增加计算量；
61、(4)相比于完全解析方法，本发明的半解析方法适用于任意设计参数已知的天线。
1.一种基于电磁偶极子阵列的天线辐射场计算方法，其特征在于：包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁偶极子阵列的天线辐射场计算方法，其特征在于：所述的将待计算辐射场的天线表面按照材料、结构进行划分，把天线表面分为多个部分，在各部分上取点，利用惠更斯原理和这些点处的磁、电场强度求得这些点处的等效电、磁流密度，具体包括：
3.根据权利要求2所述的一种基于电磁偶极子阵列的天线辐射场计算方法，其特征在于：所述的根据各部分面积比例及取点个数确定各部分电、磁偶极子阵列的辐射场在天线总辐射场中的加权系数，各部分无穷小电偶极子和磁偶极子激发的场乘以该部分的加权系数后求和，得到天线辐射场计算结果，具体包括：
4.根据权利要求3所述的一种基于电磁偶极子阵列的天线辐射场计算方法，其特征在于：所述的采用遗传算法对每个部分的电偶极子和磁偶极子的加权系数进行优化调整，得到天线辐射场的最终计算结果，具体包括：
5.根据权利要求4所述的一种基于电磁偶极子阵列的天线辐射场计算方法，其特征在于：所述的采用遗传算法对目标函数进行求解，得到最小f对应的χ，具体包括：
