天线近场特性的研究范文

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《空间电子技术杂志》2015年第一期

1天线近场特性的研究方法

天线近场特性研究的重要性原本主要体现在认知理论方面，在工程实践方面往往作为研究远场的手段之一，如近场测试。随着人类对无线电应用的拓展，对天线近场特性研究的实践驱动也越来越明显。同时，研究方法体系也越来越完善。

1．1理论方法求解天线近场问题的基础仍然是在特定边界条件下解Maxwell方程，在早期的近场传播特性研究中，常常将Maxwell方程进行标量场近似［5］。近年来，有学者采用不同的展开序列研究近场特性。天线外部空间场满足Helmholtz齐次方程，可以利用Wilcox展开方法将其电场和磁场展开为。依赖于远场辐射方向图。对于远场，上式只存在0阶项;而在近场，电磁场就复杂得多，包含的展开项也多。深入的研究表明:角矢量场An和Bn可以表示为天线的球面TE和TM模式，那么天线近场就可以展开为高阶TE和TM模序列，这样就得到了近场空间分布特性［6］。基于Weyl展开可以研究天线的谱域近场结构［7］。据此，可以针对特殊的应用背景研究天线在感应近场或Fresnel近场的特性［8］。但迄今为止，天线的近场特性理论研究仍然有待完善，理论工作者可以从不同的角度、用不同的方法去阐述天线近场特性。

1．2数值和仿真方法研究近场特性直观的数值方法是口径场积分法，但因积分函数复杂，所以计算速度很慢。后来出现了利用几何绕射理论的计算方法，计算速度虽然提高了，但不能应用于散焦区的计算。对口径场积分法进行改进，得到计算口径面天线辐射近区场强的表达式，再将其与几何绕射理论结合，可以提高计算速度［9］。高频近似方法中的物理光学方法同样非常耗时，同时要求对面电流有足够多的点采样。频域方法中的矩量法、有限元法、边界元法等都可用于天线近场特性分析，在实际研究中，通常将这些方法结合起来，实现高精度、高效率的求解。与时域近场测量技术的发展相同步，时域有限差分法和时域积分方程法也被用于计算天线近场传播特性。为了适应市场需求，一些商业软件也具备了近场特性仿真功能，常见的如AnsoftHFSS、FEKO、IE3D等。这些商业软件当然也是基于某种数值算法的，所以其应用特点完全取决于内在算法。如前所述，天线近场特性研究仍然处于发展完善的过程中，所以所采用的数值和仿真方法也存在进一步发展的空间。

1．3实验方法天线近场特性研究的实验方法主要是指各种近场测量方法。近场测量的目的主要包括两方面，一是由近场特性推算远场特性，从而完成天线性能分析;二是由近场反演口径场，进行天线的诊断。如前文所述，随着近场应用的出现和发展，近场测量有望为工程实践提供直接支撑。近场测量首先分为频域测试和时域测试2大类。频域测试方法适合窄带天线的测量，通过改变使用的探针可以覆盖不同的频率。时域测试方法更适合宽带天线测量，而且可以利用时间门效应消除多径干扰，但在不同测试频率上信噪比不同，造成测试精度难以控制。按照探针扫描方式，近场测量方法可以分为平面近场、柱面近场和球面近场测量。平面近场测量适合于高增益天线的测量，柱面近场测量适合于扇形波束的天线测量，球面近场测量则适合于对天线辐射场测量要求全面的场合。测量方式的选择还与所研究问题的应用背景直接相关。

2近场特性的应用

已经有一些系统应用了天线的近场特性，如微波医疗设备、主动拒止系统等，与空间系统相关的应用也在发展过程中，下面讨论几种可能的近场特性应用场合。

2．1无线能量传输无线能量传输(WirelessPowerTransmission，WPT)技术是近年来发展较快的领域之一。从基本原理上无线能量传输可分为耦合式、谐振式和传输式，其中耦合式和谐振式利用了感应近场的原理，所以其传输距离受到很大限制。微波能量传输(MicrowavePowerTransmission，MPT)是基于无线电发射－接收模式的技术，但与无线电用于通信、遥感系统不同，微波能量传输受高传输效率的约束，所以理想情况是全能量接收，这样就对能量收发天线口径、传输距离有严格的约束。这种约束关系决定了微波能量传输一般是Fresnel近场传输模式(当然也有例外)。空间太阳能电站是微波能量传输技术的典型应用系统，二者的结合使空间太阳能电站的设想成为可能，使微波能量传输技术的潜力发挥到极致。空间太阳能电站是位于地球轨道(一般是GEO轨道)上的巨型太阳能发电卫星，利用光伏效应将太阳能转化为电能，进一步转化为微波能量，并利用发射天线将微波能量波束发向地面接收站，地面利用整流天线再将微波能量重新转化为电能。截至目前，国际上已经提出30多种空间天阳能电站的系统模型，表2中选择了几种典型模型，并根据天线理论计算它们的传播场区。大多数空间太阳能电站模型中微波能量传输系统应用的是Fresnel近场特性。目前，空间太阳能电站微波能量传输要解决的问题包括Fresnel近场传输理论的完善，以及围绕高效率、高功率质量比、高可靠性目标所能采取的技术途径。

2．2近场通信近场通信(NearFieldCommunication，NFC)技术是由非接触式射频识别(RFID)及互连互通技术整合演变而来的一种短程通信技术，最早由Philips公司和Sony公司共同提出，2004年获批成为国际标准。近场通信的速率一般能满足两个设备之问点对点信息交换、内容访问和服务交换的需求［14］。近场通信技术利用的是感应近场特性，支持读写模式、卡模式和通信模式3种基本操作。在空间系统中的潜在应用包括:航天员之间的通信、空间大型基础设施建设中摇操作空间机器人对目标的识别等。融合了GPS定位、WiFi、快速响应、无线传感器网络及近场通信等技术的智能电话终端是航天员理想的智能通信终端。

2．3电磁兼容电磁兼容(ElectromagneticCompatibility，EMC)是电子设备与系统常见的问题。在以通信卫星为代表的空间电子系统中，有效载荷工作频段覆盖宽，包含大功率微波部件和电磁敏感设备，而且集中在一个体积不大的舱内，极容易发生电磁兼容问题。细致分析这些电磁兼容问题就可以发现其有的是因感应近场引起的，有的是因Fresnel近场引起的，还有的是因远场辐射引起的。目前，解决卫星有效载荷的电磁兼容问题还停留在“规范法”和“解决问题法”结合的阶段，而“系统工程法”是解决这一问题的高级阶段［15］。要实现“系统工程法”的应用，前提是根据诱因细致分解EMC问题，然后逐项解决。理解卫星有效载荷中存在的感应近场和Fresnel近场的特性是解决其EMC问题的关键。

3结语

鉴于前期应用需求的牵引不足，天线近场特性研究无论在理论上、数值和仿真手段上还是测量方法上，虽然已经具备相当的基础，但都存在不完善之处。感应近场和Fresnel近场传波特性与航天科技相结合，不仅可以产生新的工程应用，也可以产生解决原有问题的新思路。伴随电磁波近场传播应用实践的发展，天线近场特性研究将迎来又一个高峰。

作者：董士伟董亚洲吴皓威付文丽李正军单位：中国空间技术研究院西安分院空间微波技术国家级重点实验室重庆大学飞行器测控与通信教育部重点实验室