基于网格传递的天线机电耦合方法与流程

本发明涉及电子设备多物理场耦合分析技术领域，尤其涉及一种基于网格传递的天线机电耦合方法。

背景技术：

随着我国深空探测工程的开展，用于超远距离测控的大型反射面天线以及各种大口径星载可展开反射面天线发展迅速。不同于常见的小型反射面天线，大口径使得天线方向性增高的同时，也会导致结构自重加大，易于受外部环境因素的影响。反射面作为电磁场的边界条件，在各种外部载荷的作用下发生微小变形。如震动冲击、重力、风荷、冰雪载荷、温度载荷等，从而导致天线增益下降、副瓣升高等电性能变差。因而大口径天线的机电耦合分析逐渐成为研究热点。多年来研究人员对于结构因素的对天线电性能的影响做了大量研究。但是研究工作还存在一些不足。电设计人员通常只是以假设的随机误差或系统变形估算其对电性能的影响。但难以考虑天线实际工作时的结构变形，其研究结论也没有实验验证。结构设计人员虽然可以研究实际天线变形，但通常只关心表面精度，或是用Ruze公式粗略估算增益损失，而不考虑副瓣、方向图等其它电性能指标。现在也有人从软件集成的角度，使用结构分析软件分析天线实际变形，然后将变形结果导入电磁分析软件中分析天线电性能，但是结构分析更关心天线的背架并使用有限元法，反射面天线的电磁分析只关心天线主面而且多使用高频近似方法，两者的分析方法和模型都有很大差异，导致实际应用的效果欠佳。

有源相控阵雷达作为当今雷达发展的主流，其性能主要取决于有源相控阵天线(APAA)，APAA阵面存在大量发热器件，且包含对温度敏感的T/R组件，阵面温度分布不合理将严重影响阵面相位控制精度，热变形作用也将导致天线辐射单元方向图改变，使电性能达不到要求甚至无法实现。区别于无源相控阵天线，有源相控阵天线的核心部件即发射/接收组件(T/R组件)，在APAA阵面上，T/R组件按一定规则排列，其数量可达数百至数千个且伴随雷达要求的提高而日益增加，在有源相控阵雷达系统中，每一个T/R组件都对应了一个天线单元，因此，T/R组件的性能在很大程度上决定了APAA的性能，此外，针对不同应用类型应用环境的有源相控阵天线，T/R组件的要求也不尽相同，如机载和舰载有源相控阵雷达系统对T/R组件的体积和能耗有特点苛刻的要求，均需要实现T/R组件的小型化，而针对T/R组件内部电子器件，发射信号功率放大器以及高功率放大器(HPA)的输出功率也是相控阵雷达的一个重要新要求，然而，现有相控阵雷达系统中T/R模块的功率放大器功率附加效率(PAE)始终维持在30％左右，剩余70％的电功率则直接转化成为热功耗，而国内的T/R模块功率放大器功率附加效率相比于国外更低，PAE值只能达到25％左右，因此，在有源相控阵雷达获得高发射功率的同时，雷达也产生了大量的热损耗，而且，随着T/R组件热流密度的提高，有源相控阵天线阵面的总热流密度可以高达30W/cm2。APAA阵面高温会严重影响天线性能，主要表现为：1.结构方面，高温会造成天线热变形，从而降低天线阵面平整度，改变辐射单元位置，致使辐射单元产生了结构误差，另一方面，高温会使天线结构产生热应力，该应力值也应该进行分析，从而确保其低于天线结构材料的屈服强度，满足强度要求；2.电性能方面，首先，辐射单元位置变化会引起天线增益、波束指向等重要参数改变，此外，T/R组件中包含移相器、高功率放大器、低噪声放大器等众多关键电子器件，电子器件的工作可靠性对温度十分敏感，据统计，电子设备失效率有55％是由于温度超过电子设备规定壳体温值而引起的，并且，随着温度的升高，电子设备的失效率会成指数形式增长，当温度循环变化范围超过20℃时，电子设备的失效率可增加到8.1倍。另外也有研究表明：固态雷达发射机中，功率晶体管的结温每增加10℃，其可靠性就会下降60％，而T/R组件中移相器、功率放大器等器件均是实现天线电性能的重要部件，因此，天线阵面温度分布关系到T/R组件的工作可靠性，影响着天线电性能的有效实现。由此可以看出，大口径星载可展开反射面天线和有源相控阵雷达均存在着机电耦合问题。

机电耦合是机械结构位移场和电磁场两场相互作用、相互影响而形成的物理现象，具有典型的多学科交叉的特点。随着信息技术的发展，越来越多的电子系统是机械、电磁、散热等学科相结合的系统，其电性能的实现不仅依赖于各学科领域的设计水平，更取决于多学科的有机结合，如平板裂缝天线缝隙尺寸、表面变形等对天线电性能的影响；天线座传动机构摩擦对天线座伺服性能的影响。因此复杂电子系统的机电耦合问题引起了越来越多的学者的关注。在机电耦合分析方法上，不同物理场间的数据传递方法是研究的重点和难点，国外很早就在机电耦合及多物理场耦合问题上开展了研究，如采用边界元法研究耦合接触问题；电子设备中不同场间的耦合问题等。Steinberg对电子设备从器件级到系统级的力学特性进行了研究，并提出很多使电子设备在恶劣环境下仍能正常工作的方法；John Voello更是指出，在未来25种新技术中，多场耦合问题将会受到高度重视。国内在电子系统机电耦合问题上的研究起步较晚，从上世纪80年代，才陆续开展了一些与反射面天线相关的机电耦合研究。段宝岩分析了国内电子装备机电耦合研究的现状与发展。刘爽对非线性机电耦合系统延时反馈进行了研究，彭博研究了电子产品多物理场耦合仿真方法，提出一种面向电子产品的多场耦合协同仿真方法和框架。

技术实现要素：

本发明针对大型微波天线分析设计中存在的机电分离问题，提供一种具有快速性、准确性的基于网格传递的天线机电耦合方法，以解决现有技术中无法进行天线结构变形对电性能影响的研究等问题。

本发明的上述目的可以通过下述技术方案予以实现：一种基于网格传递的天线机电耦合方法，其特征在于包括如下步骤：

A、首先利用ANSYS Workbench软件对天线进行力学特性分析，获取天线结构变形每个节点的位移，计算得到天线面板的静力变形，采用ANSYS Mechanical APDL模块读取变形前的网格文件，然后针对每一个网格节点，计算其形变量，并将有限元模型每个节点的形变量加入到原始网格中，得到变形后的网格，然后利用ANSYS的参数化编程语言APDL，更新网格并输出变形后天线的网格文件；

B、对步骤A中的网格文件进行读入，用ANSYS的ICEM CFD模块读入CDB网格模型，对网格类型进行转换，将网格类型转换成PAT格式，并导入到Hypermesh软件中，Hypermesh软件读入网格文件，提取并输出表面网格；

C、将步骤B中变形后的表面网格文件和表面网格模型导入电磁分析软件FEKO中进行天线电性能的分析，对比变形前天线的电性能，得到天线的机电耦合性能。实现了一种基于网格传递的微波天线机电耦合分析的方法。

本发明具有以下有益效果：

本发明具有快速性和准确性的特点。

(1)具有快速性。本发明研究天线的机电耦合特性，实现一种基于网格传递的天线机电耦合方法，首先对天线进行力学分析，提取变形后的网格，然后对变形后的网格类型进行转换和提取表面网格，然后导入电磁分析软件进行天线电性能的计算，可实现结构变形对天线电性能的分析,可以用于天线产品初始阶段的研究，使天线产品的机电耦合分析和天线结构电性能的协同设计成为可能，能够有效降低产品的设计周期，相对于现有技术只能通过加工实物并使用实验测试来研究天线的机电耦合性能，，具有明显的快速性特点。

(2)具有准确性。在下文中，本发明针对波导缝隙天线实例，通过网格的提取与转换，实现了力学模型到电磁场计算模型的传递，通过仿真与实验测试进行对比，证明本发明的准确性。

附图说明

图1是本发明的基于网格传递的天线机电耦合方法流程示意图。

图2-a是波导裂缝天线的实体模型示意图。

图2-b是利用ANSYS Workbench软件分析天线的静力变形结果的示意图。

图2-c是变形后的网格模型示意图。

图2-d是导入到专业的电磁分析软件FEKO中的表面网格模型示意图。

图3-a是天线变形前的天线性能的3D方向图示意图。

图3-b是天线变形后的天线性能的3D方向图示意图。

图3-c是天线变形前后的天线性能的仿真结果对比示意图。

图3-d是天线变形前后的天线性能的最大增益仿真结果对比示意图。

图3-e是天线变形前后的天线性能的实验测试结果对比示意图。

图3-f是天线变形前后的天线性能的最大增益实验测试结果对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1。根据本发明，基于网格传递的天线机电耦合分析流程，

A、首先利用ANSYS Workbench软件对天线进行力学特性分析，获取天线结构变形每个节点的位移，计算得到天线面板的静力变形，采用ANSYS Mechanical APDL模块读取变形前的网格文件，然后针对每一个网格节点，计算其形变量，并将有限元模型每个节点的形变量加入到原始网格中，得到变形后的网格；利用ANSYS的参数化编程语言APDL，更新网格并输出变形后天线的网格文件；

B、对步骤A中的网格文件进行读入，然后利用ANSYS的ICEM CFD模块读入CDB网格模型，对网格类型进行转换，将网格类型转换成PAT格式，并导入到Hypermesh软件中，Hypermesh软件读入网格文件，提取并输出表面网格；其中，CDB，ANSYS的一种常见的网格文件类型，CDB即CommonDataBase(公用数据库)。PAT网格是与电磁分析软件FEKO兼容性非常好的一种网格类型。

C、将步骤B中变形后的表面网格文件和表面网格模型导入电磁分析软件FEKO中进行天线电性能的分析，对比变形前天线的电性能，得到天线的机电耦合性能。

进一步地，所述步骤A对天线进行力学分析，提取变形后的网格文件，具体为：首先利用ANSYS Workbench软件对天线进行力学特性分析，计算天线振动或者风载变形；利用ANSYS的参数化编程语言APDL，输出变形后天线的网格文件。

进一步地，所述步骤B对步骤A中输出的网格模型进行模型转换并提取表面网格，具体为：首先利用ANSYS的ICEM CFD模块读入步骤A输出的CDB文件，将CDB类型的网格转换成PAT网格类型，这是因为后续的电磁分析软件中，对PAT格式的网格文件更兼容。由于此时PAT网格类型为体网格，而后续的电磁分析软件仅支持表面网格，因此还需要使用Hypermesh软件，提取表面网格并输出。

进一步地，将步骤B中得到的变形后天线的表面网格模型，导入到专业的电磁分析软件FEKO中，进行变形后天线的电性能分析，对比变形前天线的电性能，得到天线的机电耦合性能。

进一步地，所述步骤A构建步骤B中读入变形后的网格文件并对网格类型进行转换和表面网格提取，具体为：

C1、根据步骤A中利用APDL语言输出的变形后的网格模型；

C2、利用ANSYS的ICEM CFD模块读入网格模型，将CDB网格转换成PAT网格；

C3、利用Hypermesh软件，对PAT网格进行表面网格提取并输出。

进一步地，所述步骤C1利用APDL语言输出的变形后的网格模型，具体为：采用经典版的ANSYS Mechanical APDL模块，与前面的静力分析共享分析结果信息，并编程实现将分析所得的位移加到原来的有限元模型的节点上并且输出更新后的有限元模型的CDB网格模型。

在步骤A中，首先利用ANSYS Workbench软件对天线进行力学特性分析，计算其静力变形；采用经典版的ANSYS Mechanical APDL，与前面的静力分析共享分析结果信息，并编程实现将分析所得的位移加到原来的有限元模型的节点上并且输出更新后的有限元模型的CDB网格模型。图2-a所示，为我们分析的波导裂缝天线的实体模型。图2-b所示，为利用ANSYS Workbench软件分析天线的静力变形。

在变形数据的传递方法上，首先采用经典版的ANSYS Mechanical APDL模块，读入变形前的网格文件，然后针对每一个网格节点，计算其形变量，并将每个节点的形变量加入到原始的网格中，得到变形后的网格，然后利用ANSYS的ICEM CFD模块读入CDB网格模型，将网格类型转换成PAT格式，并导入到Hypermesh软件，提取如图2-c所示表面网格，最后将提取的PAT格式的表面网格文件导入到专业的天线电磁性能分析软件FEKO中进行天线电性能的分析，导入如图2-d所示FEKO中的表面网格模型。

将步骤B中得到的变形后天线的几何模型，导入到专业的电磁分析软件中，进行变形后天线的电性能分析，对比变形前天线的电性能，得到天线的机电耦合性能。图3-a所示为天线变形前的天线性能的3D方向图。图3-b所示为天线变形后的天线性能的3D方向图。图3-c所示为天线变形前后天线性能的仿真结果对比。图3-d所示为天线变形前后天线性能的最大增益仿真结果对比。图3-e所示为天线变形前后的天线性能的实验测试结果对比。图3-f所示为天线变形前后的天线性能的最大增益实验测试结果对比。

表1本发明方法与实验测试结果的对比

从结果上可以看出，利用得到变形前后，天线的最大增益的变化为0.3dB；利用测试方法得到的变形前后，天线的最大增益变化为0.275dB，两者相差非常小。因此可以说明，本方法提供了一种非常有效的研究天线机电耦合分析的方法，为天线的结构与电性能的协同设计提供了可能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。