本站小編為你精心準備了天線近場特性的研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《空間電子技術(shù)雜志》2015年第一期

1天線近場特性的研究方法

天線近場特性研究的重要性原本主要體現(xiàn)在認知理論方面，在工程實踐方面往往作為研究遠場的手段之一，如近場測試。隨著人類對無線電應(yīng)用的拓展，對天線近場特性研究的實踐驅(qū)動也越來越明顯。同時，研究方法體系也越來越完善。

1．1理論方法求解天線近場問題的基礎(chǔ)仍然是在特定邊界條件下解Maxwell方程，在早期的近場傳播特性研究中，常常將Maxwell方程進行標量場近似［5］。近年來，有學(xué)者采用不同的展開序列研究近場特性。天線外部空間場滿足Helmholtz齊次方程，可以利用Wilcox展開方法將其電場和磁場展開為。依賴于遠場輻射方向圖。對于遠場，上式只存在0階項;而在近場，電磁場就復(fù)雜得多，包含的展開項也多。深入的研究表明:角矢量場An和Bn可以表示為天線的球面TE和TM模式，那么天線近場就可以展開為高階TE和TM模序列，這樣就得到了近場空間分布特性［6］。基于Weyl展開可以研究天線的譜域近場結(jié)構(gòu)［7］。據(jù)此，可以針對特殊的應(yīng)用背景研究天線在感應(yīng)近場或Fresnel近場的特性［8］。但迄今為止，天線的近場特性理論研究仍然有待完善，理論工作者可以從不同的角度、用不同的方法去闡述天線近場特性。

1．2數(shù)值和仿真方法研究近場特性直觀的數(shù)值方法是口徑場積分法，但因積分函數(shù)復(fù)雜，所以計算速度很慢。后來出現(xiàn)了利用幾何繞射理論的計算方法，計算速度雖然提高了，但不能應(yīng)用于散焦區(qū)的計算。對口徑場積分法進行改進，得到計算口徑面天線輻射近區(qū)場強的表達式，再將其與幾何繞射理論結(jié)合，可以提高計算速度［9］。高頻近似方法中的物理光學(xué)方法同樣非常耗時，同時要求對面電流有足夠多的點采樣。頻域方法中的矩量法、有限元法、邊界元法等都可用于天線近場特性分析，在實際研究中，通常將這些方法結(jié)合起來，實現(xiàn)高精度、高效率的求解。與時域近場測量技術(shù)的發(fā)展相同步，時域有限差分法和時域積分方程法也被用于計算天線近場傳播特性。為了適應(yīng)市場需求，一些商業(yè)軟件也具備了近場特性仿真功能，常見的如AnsoftHFSS、FEKO、IE3D等。這些商業(yè)軟件當然也是基于某種數(shù)值算法的，所以其應(yīng)用特點完全取決于內(nèi)在算法。如前所述，天線近場特性研究仍然處于發(fā)展完善的過程中，所以所采用的數(shù)值和仿真方法也存在進一步發(fā)展的空間。

1．3實驗方法天線近場特性研究的實驗方法主要是指各種近場測量方法。近場測量的目的主要包括兩方面，一是由近場特性推算遠場特性，從而完成天線性能分析;二是由近場反演口徑場，進行天線的診斷。如前文所述，隨著近場應(yīng)用的出現(xiàn)和發(fā)展，近場測量有望為工程實踐提供直接支撐。近場測量首先分為頻域測試和時域測試2大類。頻域測試方法適合窄帶天線的測量，通過改變使用的探針可以覆蓋不同的頻率。時域測試方法更適合寬帶天線測量，而且可以利用時間門效應(yīng)消除多徑干擾，但在不同測試頻率上信噪比不同，造成測試精度難以控制。按照探針掃描方式，近場測量方法可以分為平面近場、柱面近場和球面近場測量。平面近場測量適合于高增益天線的測量，柱面近場測量適合于扇形波束的天線測量，球面近場測量則適合于對天線輻射場測量要求全面的場合。測量方式的選擇還與所研究問題的應(yīng)用背景直接相關(guān)。

2近場特性的應(yīng)用

已經(jīng)有一些系統(tǒng)應(yīng)用了天線的近場特性，如微波醫(yī)療設(shè)備、主動拒止系統(tǒng)等，與空間系統(tǒng)相關(guān)的應(yīng)用也在發(fā)展過程中，下面討論幾種可能的近場特性應(yīng)用場合。

2．1無線能量傳輸無線能量傳輸(WirelessPowerTransmission，WPT)技術(shù)是近年來發(fā)展較快的領(lǐng)域之一。從基本原理上無線能量傳輸可分為耦合式、諧振式和傳輸式，其中耦合式和諧振式利用了感應(yīng)近場的原理，所以其傳輸距離受到很大限制。微波能量傳輸(MicrowavePowerTransmission，MPT)是基于無線電發(fā)射－接收模式的技術(shù)，但與無線電用于通信、遙感系統(tǒng)不同，微波能量傳輸受高傳輸效率的約束，所以理想情況是全能量接收，這樣就對能量收發(fā)天線口徑、傳輸距離有嚴格的約束。這種約束關(guān)系決定了微波能量傳輸一般是Fresnel近場傳輸模式(當然也有例外)?？臻g太陽能電站是微波能量傳輸技術(shù)的典型應(yīng)用系統(tǒng)，二者的結(jié)合使空間太陽能電站的設(shè)想成為可能，使微波能量傳輸技術(shù)的潛力發(fā)揮到極致?？臻g太陽能電站是位于地球軌道(一般是GEO軌道)上的巨型太陽能發(fā)電衛(wèi)星，利用光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，進一步轉(zhuǎn)化為微波能量，并利用發(fā)射天線將微波能量波束發(fā)向地面接收站，地面利用整流天線再將微波能量重新轉(zhuǎn)化為電能。截至目前，國際上已經(jīng)提出30多種空間天陽能電站的系統(tǒng)模型，表2中選擇了幾種典型模型，并根據(jù)天線理論計算它們的傳播場區(qū)。大多數(shù)空間太陽能電站模型中微波能量傳輸系統(tǒng)應(yīng)用的是Fresnel近場特性。目前，空間太陽能電站微波能量傳輸要解決的問題包括Fresnel近場傳輸理論的完善，以及圍繞高效率、高功率質(zhì)量比、高可靠性目標所能采取的技術(shù)途徑。

2．2近場通信近場通信(NearFieldCommunication，NFC)技術(shù)是由非接觸式射頻識別(RFID)及互連互通技術(shù)整合演變而來的一種短程通信技術(shù)，最早由Philips公司和Sony公司共同提出，2004年獲批成為國際標準。近場通信的速率一般能滿足兩個設(shè)備之問點對點信息交換、內(nèi)容訪問和服務(wù)交換的需求［14］。近場通信技術(shù)利用的是感應(yīng)近場特性，支持讀寫模式、卡模式和通信模式3種基本操作。在空間系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用包括:航天員之間的通信、空間大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中搖操作空間機器人對目標的識別等。融合了GPS定位、WiFi、快速響應(yīng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及近場通信等技術(shù)的智能電話終端是航天員理想的智能通信終端。

2．3電磁兼容電磁兼容(ElectromagneticCompatibility，EMC)是電子設(shè)備與系統(tǒng)常見的問題。在以通信衛(wèi)星為代表的空間電子系統(tǒng)中，有效載荷工作頻段覆蓋寬，包含大功率微波部件和電磁敏感設(shè)備，而且集中在一個體積不大的艙內(nèi)，極容易發(fā)生電磁兼容問題。細致分析這些電磁兼容問題就可以發(fā)現(xiàn)其有的是因感應(yīng)近場引起的，有的是因Fresnel近場引起的，還有的是因遠場輻射引起的。目前，解決衛(wèi)星有效載荷的電磁兼容問題還停留在“規(guī)范法”和“解決問題法”結(jié)合的階段，而“系統(tǒng)工程法”是解決這一問題的高級階段［15］。要實現(xiàn)“系統(tǒng)工程法”的應(yīng)用，前提是根據(jù)誘因細致分解EMC問題，然后逐項解決。理解衛(wèi)星有效載荷中存在的感應(yīng)近場和Fresnel近場的特性是解決其EMC問題的關(guān)鍵。

3結(jié)語

鑒于前期應(yīng)用需求的牽引不足，天線近場特性研究無論在理論上、數(shù)值和仿真手段上還是測量方法上，雖然已經(jīng)具備相當?shù)幕A(chǔ)，但都存在不完善之處。感應(yīng)近場和Fresnel近場傳波特性與航天科技相結(jié)合，不僅可以產(chǎn)生新的工程應(yīng)用，也可以產(chǎn)生解決原有問題的新思路。伴隨電磁波近場傳播應(yīng)用實踐的發(fā)展，天線近場特性研究將迎來又一個高峰。

作者：董士偉董亞洲吳皓威付文麗李正軍單位：中國空間技術(shù)研究院西安分院空間微波技術(shù)國家級重點實驗室重慶大學(xué)飛行器測控與通信教育部重點實驗室