卫星天线布局和电磁兼容预测研究
发布时间：2020-11-16 04:47
卫星上装载着许多复杂的电子系统和设备,包括大功率的辐射系统和高灵敏度的接收系统,电磁环境十分复杂。为了使卫星上的电子设备不出现EMC问题,有必要在设计初期阶段就开展卫星电磁兼容的仿真和预测。本文先对一些可用于电磁兼容仿真分析的计算电磁学基本方法进行了简要分析,然后研究了弹跳射线法的原理,并用Python编写了弹跳射线法程序,为接下来使用ANSYS Savant奠定基础。Savant是一款基于弹跳射线法的商业电磁仿真软件,能够仿真安装在电大尺寸平台上天线的性能。本文提出了一种新的电大载体上天线布局优化方法,即在Python和Savant联合仿真的基础上,利用相关优化算法搜索理想的天线布局方案。该方法可以在设计初期阶段为工程人员进行卫星上天线布局提供合理的参考方案。此方法利用Savant能比低频电磁算法更快地得到天线间耦合的特点,用优化算法代替盲目的试验,并编写Python程序实现整个卫星上天线布局优化仿真的自动化。神经网络能以任意精度逼近任意非线性连续的多维函数。本文使用基于TensorFlow框架搭建的神经网络对天线间的互耦等几个简单的电磁兼容问题进行建模预测。通过这几个例子说明了神经网络用于电磁兼容预测的可行性。最后,在基于上述研究的基础上,本文使用Python开发了星载天线电磁兼容仿真预测软件。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN828.5;TN03
【部分图文】：
卫星电磁兼容是一个相当庞大又复杂的问题，本文主要对弹跳射线法、卫星上天线??布局、以及使用神经网络预测目标电磁兼容性能进行了深入研宄。论文的主要内容框架??如图１．１。??论文的具体内容安排如下：??第２章简要介绍了三个常用的电磁计算基本方法，然而这三个低频算法都不适合??计算卫星上天线间的互耦，所以考虑使用高频方法，下一章使用的Ｓａｖａｎｔ就是采用基??于弹跳射线法的计算引擎，能快速仿真电大载体上天线间的互耦。然后重点研宄了弹跳??射线法（高频近似算法）的实现原理，使用Ｐｙｔｈｏｎ编写了弹跳射线法程序，并通过几??个算例，对比分析了?Ｐｙｔｈｏｎ程序计算的结果和ＦｆｆｉＯ中ＭＬＦＭＭ算法的结果。??第３章提出了一种新的天线布局优化仿真方法，即基于Ｐｙｔｈｏｎ和Ｓａｖａｎｔ的联合??仿真，利用优化算法搜索理想的天线布局方案。首先简要介绍了?Ｓａｖａｎｔ，然后说明如何??用Ｐｙｔｈｏｎ编写脚本控制Ｓａｖａｎｔ自动建立模型、设置仿真参数、运行仿真和输出结果。??其次
图２．２腔体示意图??对于斜入射的电磁波，因为平行极化和垂直极化的反射系数是不一样的，所以在计??算反射系数时，我们要将入射电场分解为垂直分量足（与入射面相垂直的部分）和平行??分量＆?（与入射面相平行的部分）进行考虑：??Ｅ＝?（２．１１）??Ｅｎ?＝?Ｅ－Ｅｘ?（２．１２）??其中，??ｍ?＝?（ｎ?ｘ?／）?／?ｆｉｘ?ｉ?（２．１３）??其中Ａ是反射点处的法向单位矢量，ｆ是场入射方向的单位向Ｍ。对于如图２．１所示的，??在理想导体上涂敷厚度为ｒ的单层介质，反射电场可由入射电场表示为：??９??
口面进行物理光学远场积分，因为腔体内壁往往是曲面的的，而且腔体与场可能会存在??遮挡的情况，如果对腔体内壁进行物理光学积分，将可能存在较大误差。文献［３０］给出??了如图２．２所示的腔口面垂直于ｚ轴的腔体的远场散射公式：??Ｅ＝＾ｒ［Ａｅ０＋Ａ／］?（２．１６）??其中，??＝?ｅＭ＾ｙＡ?Ｅｘｃｏ＾?＋?Ｅｙｓｉ＾?１??＾?２ｋ?｛－Ｅｘ?ｓｉｎ?＜＾＋Ｅｙ?ｃｏｓ?（ｆ＞）?ｃｏｓ?６??其中，在和Ａ分别表不离开腔体的射线管，其电场在ｚ＝０的腔体口面＆上ｘ和ｙ方向??的分量，Ｍ＝ｓｉｎ０ｃｏｓ＃，ｖ?＝?ｓｉｎ０ｓｉｎ＾。假设一个沿方向的射线管，与ｚ＝０的口??面相交的区域的中心点为其相交区域的面积为那么，这个离开腔??体的射线管在腔体口径面上的任意一点的场，可由下式近似：??Ｅｘ?＿?Ｅ．ｉｘ＾）??－ｊｋ［ｓｘ?（ｘ－Ｘｊ?）＋＾?（ｙ－ｙ／）］??Ｗ?加?ｘ，？，乃?＃?（２．１８）??换句话说，射线管内任意一点的场和射线管中心射线的场有相同的幅度；此外，在??射线管上有一个线性相位的变化。当射线管的面积不大时
【参考文献】
本文编号：2885636
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN828.5;TN03
【部分图文】：
卫星电磁兼容是一个相当庞大又复杂的问题，本文主要对弹跳射线法、卫星上天线??布局、以及使用神经网络预测目标电磁兼容性能进行了深入研宄。论文的主要内容框架??如图１．１。??论文的具体内容安排如下：??第２章简要介绍了三个常用的电磁计算基本方法，然而这三个低频算法都不适合??计算卫星上天线间的互耦，所以考虑使用高频方法，下一章使用的Ｓａｖａｎｔ就是采用基??于弹跳射线法的计算引擎，能快速仿真电大载体上天线间的互耦。然后重点研宄了弹跳??射线法（高频近似算法）的实现原理，使用Ｐｙｔｈｏｎ编写了弹跳射线法程序，并通过几??个算例，对比分析了?Ｐｙｔｈｏｎ程序计算的结果和ＦｆｆｉＯ中ＭＬＦＭＭ算法的结果。??第３章提出了一种新的天线布局优化仿真方法，即基于Ｐｙｔｈｏｎ和Ｓａｖａｎｔ的联合??仿真，利用优化算法搜索理想的天线布局方案。首先简要介绍了?Ｓａｖａｎｔ，然后说明如何??用Ｐｙｔｈｏｎ编写脚本控制Ｓａｖａｎｔ自动建立模型、设置仿真参数、运行仿真和输出结果。??其次
图２．２腔体示意图??对于斜入射的电磁波，因为平行极化和垂直极化的反射系数是不一样的，所以在计??算反射系数时，我们要将入射电场分解为垂直分量足（与入射面相垂直的部分）和平行??分量＆?（与入射面相平行的部分）进行考虑：??Ｅ＝?（２．１１）??Ｅｎ?＝?Ｅ－Ｅｘ?（２．１２）??其中，??ｍ?＝?（ｎ?ｘ?／）?／?ｆｉｘ?ｉ?（２．１３）??其中Ａ是反射点处的法向单位矢量，ｆ是场入射方向的单位向Ｍ。对于如图２．１所示的，??在理想导体上涂敷厚度为ｒ的单层介质，反射电场可由入射电场表示为：??９??
口面进行物理光学远场积分，因为腔体内壁往往是曲面的的，而且腔体与场可能会存在??遮挡的情况，如果对腔体内壁进行物理光学积分，将可能存在较大误差。文献［３０］给出??了如图２．２所示的腔口面垂直于ｚ轴的腔体的远场散射公式：??Ｅ＝＾ｒ［Ａｅ０＋Ａ／］?（２．１６）??其中，??＝?ｅＭ＾ｙＡ?Ｅｘｃｏ＾?＋?Ｅｙｓｉ＾?１??＾?２ｋ?｛－Ｅｘ?ｓｉｎ?＜＾＋Ｅｙ?ｃｏｓ?（ｆ＞）?ｃｏｓ?６??其中，在和Ａ分别表不离开腔体的射线管，其电场在ｚ＝０的腔体口面＆上ｘ和ｙ方向??的分量，Ｍ＝ｓｉｎ０ｃｏｓ＃，ｖ?＝?ｓｉｎ０ｓｉｎ＾。假设一个沿方向的射线管，与ｚ＝０的口??面相交的区域的中心点为其相交区域的面积为那么，这个离开腔??体的射线管在腔体口径面上的任意一点的场，可由下式近似：??Ｅｘ?＿?Ｅ．ｉｘ＾）??－ｊｋ［ｓｘ?（ｘ－Ｘｊ?）＋＾?（ｙ－ｙ／）］??Ｗ?加?ｘ，？，乃?＃?（２．１８）??换句话说，射线管内任意一点的场和射线管中心射线的场有相同的幅度；此外，在??射线管上有一个线性相位的变化。当射线管的面积不大时
【参考文献】
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3 张兴国;李庆;吴一帆;于方;;小卫星平台某电子设备电磁兼容性设计[J];电子设计工程;2014年09期
4 刘亚丹;古发辉;;差分进化算法研究进展[J];科技广场;2013年03期
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本文编号：2885636
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