一種基于陣元互耦的大型變形陣列天線副瓣性能預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于陣元互耦的大型變形陣列天線副瓣性能預(yù)測(cè)方法，包括：根據(jù)陣列天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性，確定陣列天線結(jié)構(gòu)有限元模型；利用有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，得到陣列天線變形后陣面內(nèi)陣元的位置偏移量，確定陣元的新坐標(biāo)；根據(jù)陣元的新坐標(biāo)，將陣列天線交叉劃分成子陣，用子陣的互耦參數(shù)矩陣構(gòu)建變形陣列天線整體的互耦參數(shù)矩陣；根據(jù)陣元的位置偏移量和陣元間的互耦參數(shù)，利用陣列天線機(jī)電耦合模型，計(jì)算天線遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)分布；根據(jù)陣列天線遠(yuǎn)區(qū)的電場(chǎng)值，建立功率方向圖極值與陣元幅度相位的關(guān)系式，計(jì)算天線的副瓣電平，從而實(shí)現(xiàn)陣列天線副瓣性能的快速預(yù)測(cè)。本發(fā)明可用于指導(dǎo)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及天線副瓣性能的分析與評(píng)價(jià)。
【專利說(shuō)明】一種基于陣元互耦的大型變形陣列天線副瓣性能預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)天線【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于陣元互耦的大型變形陣列天線副瓣性能預(yù)測(cè)方法，可用于指導(dǎo)陣列天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、副瓣性能仿真分析與評(píng)價(jià)。
【背景技術(shù)】
[0002]陣列天線因其可靠性高、功能多、隱身性能好等無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各雷達(dá)系統(tǒng)中。隨著世界軍事技術(shù)的發(fā)展，要求雷達(dá)系統(tǒng)必須能夠擁有更強(qiáng)的抗電子干擾、抗輻射導(dǎo)彈、抗雷達(dá)探測(cè)、抗高速反艦導(dǎo)彈的低空和超低空打擊能力。而天線副瓣性能與雷達(dá)戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)有著密切聯(lián)系，在很大程度上決定了雷達(dá)的抗干擾與抗雜波等能力，其不僅取決于饋電系統(tǒng)的幅度相位誤差，更易受到陣元位置誤差的影響，而這又受制于天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0003]陣列天線復(fù)雜的工作環(huán)境會(huì)導(dǎo)致天線結(jié)構(gòu)變形，例如機(jī)載雷達(dá)在飛行時(shí)會(huì)帶來(lái)振動(dòng)激勵(lì)，同時(shí)，陣列天線陣面中存在著大量的發(fā)熱器件，發(fā)熱總量通常達(dá)幾千瓦，高熱功耗會(huì)引起陣面結(jié)構(gòu)熱變形?？梢?jiàn)，陣列天線的環(huán)境載荷與熱功耗都會(huì)導(dǎo)致天線的結(jié)構(gòu)變形，使陣面內(nèi)陣元之間相對(duì)位置發(fā)生變化，同時(shí)引起陣元間互耦的變化，互耦又會(huì)影響天線激勵(lì)電流的幅度和相位，導(dǎo)致天線口徑場(chǎng)幅度相位分布發(fā)生變化，最終導(dǎo)致天線副瓣性能達(dá)不到要求，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
[0004]為實(shí)現(xiàn)陣列天線的低副瓣，必須嚴(yán)格控制天線結(jié)構(gòu)誤差。然而越是低副瓣天線，對(duì)誤差的敏感性越高，就要求越苛刻的陣面結(jié)構(gòu)變形。為此，如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)陣列天線的副瓣性能，是研制高性能陣列天線過(guò)程中必須解決的難題之一。
[0005]目前，主要有以下幾種做法:(I)研究陣列天線加權(quán)的理論和方法，直接將陣元位置隨機(jī)誤差等效為陣元激勵(lì)的隨機(jī)誤差，給出獨(dú)立隨機(jī)誤差與天線副瓣電平之間的近似公式。如在《現(xiàn)代雷達(dá)》1996年第6期“超低副瓣陣列天線的公差分析”(向廣志)文獻(xiàn)中就采用這種方法。但這種方法沒(méi)有從根本上分析天線結(jié)構(gòu)變形是如何影響天線電性能的，即不能在滿足副瓣性能指標(biāo)前提下給出降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度的方案。
[0006](2)假設(shè)天線陣面結(jié)構(gòu)變形規(guī)律已知，將陣面變形用一具體的函數(shù)給出，從而分析不同變形情況下的天線電性能變化情況，如在Analysis of performance of activephased array antennas with distorted plane error.1nternational Journal ofElectronics, 2009年，96卷，5期，549-559.中分析了陣面彎曲和碗狀兩種特定變形對(duì)天線電性能的影響。這種方法僅是假設(shè)陣面變形滿足特定的規(guī)律，但實(shí)際中結(jié)構(gòu)變形難以用某一具體函數(shù)給出，這導(dǎo)致其在工程中的應(yīng)用范圍受到限制，難以進(jìn)行推廣。
[0007](3)采用實(shí)際工程中的陣列天線變形陣面上的測(cè)量點(diǎn)作為計(jì)算對(duì)象，分析天線陣面變形對(duì)天線電性能的影響。此方法工程應(yīng)用價(jià)值大，但關(guān)鍵是要有實(shí)際加工、裝配好的天線，且需在天線實(shí)物上進(jìn)行測(cè)量分析。一般天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在仿真設(shè)計(jì)階段需要掌握當(dāng)前結(jié)構(gòu)下的天線電性能，并據(jù)此判斷是否需要更改或重新設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)，而不能在天線結(jié)構(gòu)已確定、陣面已加工成形、裝配也已完成的情況下，再來(lái)分析天線的電性能。[0008]因此，有必要深入研究陣列天線結(jié)構(gòu)與電磁之間的耦合關(guān)系，以快速且準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)當(dāng)前陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是否滿足天線的副瓣性能指標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是避免上述現(xiàn)有技術(shù)方法的不足，提出一種基于陣元互耦的大型變形陣列天線副瓣性能預(yù)測(cè)方法，指導(dǎo)陣列天線結(jié)構(gòu)的機(jī)電耦合設(shè)計(jì)，以降低設(shè)計(jì)成本、提高天線機(jī)電綜合性能。
[0010]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是，一種基于機(jī)電耦合的變形陣列天線副瓣預(yù)測(cè)方法，該方法包括下述步驟:
[0011](I)根據(jù)陣列天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性，確定陣列天線結(jié)構(gòu)有限元模型；
[0012](2)利用有限元軟件，對(duì)振動(dòng)載荷下的陣列天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到結(jié)構(gòu)變形后陣元的位置偏移量，進(jìn)而確定陣元的新坐標(biāo)；
[0013](3)根據(jù)陣元的新坐標(biāo)，將陣列天線交叉劃分成Nu個(gè)子陣，利用電磁仿真軟件分別獲取各子陣的互耦參數(shù)矩陣，并用Nu個(gè)子陣的互耦參數(shù)矩陣構(gòu)建變形陣列天線整體的互耦參數(shù)矩陣；
[0014](4)根據(jù)陣元的位置偏移量和陣元間的互耦參數(shù)，利用陣列天線機(jī)電耦合模型，計(jì)算天線遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)分布；
[0015](5)根據(jù)陣列天線遠(yuǎn)區(qū)的電場(chǎng)值，建立功率方向圖極值與陣元幅度相位的關(guān)系式，計(jì)算天線的副瓣電平；
[0016](6)根據(jù)天線設(shè)計(jì)的副瓣電平要求，判斷計(jì)算出的副瓣電平是否滿足要求，如果滿足要求則天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合格；否則，修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并重復(fù)步驟(I)至步驟(5)，直至滿足要求。
[0017]所述步驟(I)陣列天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括陣元、T/R組件、冷板、陣面框架的參數(shù)；陣列天線的材料屬性包括彈性模量、泊松比和密度。
[0018]所述步驟(2)得到陣面變形后陣元的位置偏移量包括如下步驟:
[0019](2a)給定陣列天線結(jié)構(gòu)有限元模型的約束條件和機(jī)載隨機(jī)振動(dòng)加速度功率譜，利用有限元軟件計(jì)算陣列天線的振動(dòng)變形量；
[0020](2b)提取陣列天線有限元模型中各陣元中心節(jié)點(diǎn)在X，y, z方向上的位置偏移量(Δχ, Ay, Δζ)。
[0021]所述步驟(3)構(gòu)建變形陣列天線整體的互耦參數(shù)矩陣包括如下步驟:
[0022](3a)令陣元間的間距以天線工作波長(zhǎng)λ為單位，根據(jù)天線陣面變形后陣元的新坐標(biāo)，將陣列天線在χ軸向和y軸向均以7 λ為間距交叉劃分成Nu個(gè)子陣，子陣的交叉距離為3.5 λ ；
[0023](3b)利用電磁仿真軟件分別計(jì)算出各子陣的互耦參數(shù)矩陣Si, i為I?Nu之間的自然數(shù)；
[0024](3c)根據(jù)所劃分的子陣，將各子陣的互耦參數(shù)矩陣Si填入到總的互耦參數(shù)矩陣中對(duì)應(yīng)的位置，其中子陣i和子陣i+Ι之間交叉的陣元間互耦參數(shù)均用子陣i+Ι內(nèi)陣元間互耦參數(shù)si+1內(nèi)對(duì)應(yīng)參數(shù)來(lái)表示，i為I?Nu之間的自然數(shù)，構(gòu)建成陣列天線總的互耦參數(shù)矩陣S。[0025]所述步驟(4)陣列天線的機(jī)電耦合計(jì)算包括如下步驟:
[0026](4a)設(shè)陣列天線共有M行、N列陣元按等間距矩形柵格陣排列，陣元在X，y方向上的間距分別為dx，dy;目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)系O-xyz所在的方向(武供)以方向余表示為
(cos α χ, cos a y, cos a z)，由此得到目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)軸的夾角與方向余弦的關(guān)系為
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種基于陣元互耦的大型變形陣列天線副瓣性能預(yù)測(cè)方法，包括如下過(guò)程: (1)根據(jù)陣列天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性，確定陣列天線結(jié)構(gòu)有限元模型； (2)利用有限元軟件，對(duì)振動(dòng)載荷下的陣列天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到結(jié)構(gòu)變形后陣元的位置偏移量，進(jìn)而確定陣元的新坐標(biāo)； (3)根據(jù)陣元的新坐標(biāo)，將陣列天線交叉劃分成Nu個(gè)子陣，利用電磁仿真軟件分別獲取各子陣的互耦參數(shù)矩陣，并用Nu個(gè)子陣的互耦參數(shù)矩陣構(gòu)建變形陣列天線整體的互耦參數(shù)矩陣； (4)根據(jù)陣元的位置偏移量和陣元間的互耦參數(shù)，利用陣列天線機(jī)電耦合模型，計(jì)算天線遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)分布； (5)根據(jù)陣列天線遠(yuǎn)區(qū)的電場(chǎng)值，建立功率方向圖極值與陣元幅度相位的關(guān)系式，計(jì)算天線的副瓣電平； (6)根據(jù)天線設(shè)計(jì)的副瓣電平要求，判斷計(jì)算出的副瓣電平是否滿足要求，如果滿足要求則天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合格；否則，修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并重復(fù)步驟(1)至步驟(5)，直至滿足要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣元互耦的大型變形陣列天線副瓣性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟(1)陣列天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括陣元、T/R組件、冷板、陣面框架的參數(shù)；陣列天線的材料屬性包括彈性模量、泊松比和密度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣元互耦的大型變形陣列天線副瓣性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟(2)按如下過(guò)程進(jìn)行: (2a)給定陣列天線結(jié)構(gòu)有限元模型的約束條件和機(jī)載隨機(jī)振動(dòng)加速度功率譜，利用有限元軟件計(jì)算陣列天線的振動(dòng)變形量； (2b)提取陣列天線有限元模型中各陣元中心節(jié)點(diǎn)在x，y，z方向上的位置偏移量(Δχ, Ay, Δζ)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣元互耦的大型變形陣列天線副瓣性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟(3)按如下過(guò)程進(jìn)行: (3a)令陣元間的間距以天線工作波長(zhǎng)λ為單位，根據(jù)天線陣面變形后陣元的新坐標(biāo)，將陣列天線在X軸向和y軸向均以7 λ為間距交叉劃分成Nu個(gè)子陣，子陣的交叉距離為3.5入； (3b)利用電磁仿真軟件分別計(jì)算出各子陣的互耦參數(shù)矩陣Si, i為I~Nu之間的自然數(shù)； (3c)根據(jù)所劃分的子陣，將各子陣的互耦參數(shù)矩陣Si填入到總的互耦參數(shù)矩陣中對(duì)應(yīng)的位置，其中子陣i和子陣i+Ι之間交叉的陣元間互耦參數(shù)均用子陣i+Ι內(nèi)陣元間互耦參數(shù)Si+1內(nèi)對(duì)應(yīng)參數(shù)來(lái)表示，i為I~Nu之間的自然數(shù)，構(gòu)建成陣列天線總的互耦參數(shù)矩陣S。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣元互耦的大型變形陣列天線副瓣性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟(4)按如下過(guò)程進(jìn)行: (4a)設(shè)陣列天線共有M行、N列陣元按等間距矩形柵格陣排列，陣元在X，y方向上的間距分別為dx，dy;目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)系O-xyz所在的方向《爲(wèi)一以方向余表示為 (cos α χ, cos a y, cos a z)，由此得到目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)軸的夾角與方向余弦的關(guān)系為
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)電耦合的變形陣列天線副瓣預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟(5)按如下過(guò)程進(jìn)行:(5a)根據(jù)電場(chǎng)分布F (仏M，計(jì)算出天線功率方向圖為
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104036093SQ201410298622
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】王從思, 康明魁, 段寶巖, 黃進(jìn), 王偉, 王猛, 宋立偉, 李鵬, 王偉鋒, 王艷 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)