一种结构电气一体化波导网络设计方法和结构与流程
本发明属于波导技术领域，尤其涉及一种结构电气一体化波导网络设计方法和结构。
背景技术：
高超声速飞行器与周围的空气剧烈摩擦使周围的空气温度急剧上升，致使弹体表面材料和空气发生电离，在弹体周围形成等离子鞘套，无线电波通过等离子鞘套时会造成信号衰减，严重时会造成无线电信号中断，试验表明ka频段信号可提高通信频率，降低等离子体的影响。
ka频段信号在ka频段设备和ka天线间传输，但ka频段信号在传统的高频电缆中衰减较大，需采用高频波导来替代高频电缆进行信号的低损耗传输。高频波导属于金属结构件且具有电气性能，主要是应用金属腔体对信号进行传输，因此波导网络的应用对空间结构提出了一定的设计要求。同时，高超声速飞行器舱体布局紧凑、仪器安装空间复杂，且波导网络的安装结构会影响其电气性能，这进一步增加了波导网络的设计难度。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种结构电气一体化波导网络设计方法和结构，实现了波导网络的合理布局，确保了电气性能。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种结构电气一体化波导网络设计方法，包括：
根据已安装固定的ka频段设备和已安装固定的ka天线之间的第一相对位置，选择与所述第一相对位置相匹配的第一金属波导；
根据所述ka频段设备的安装位置，确定所述第一金属波导的安装位置并安装；
根据安装后的第一金属波导与所述ka天线之间的第二相对位置，选择与所述第二相对位置相匹配的第一柔性波导；
根据选择的第一金属波导和第一柔性波导，通过结构数字模装，模拟设备间的插接，得到多个备选波导网络；
分别计算所述多个备选波导网络对应的通信链路的第一信号衰减，将第一信号衰减小于等于总衰减阈值的一个或多个备选波导网络作为设计波导网络。
在上述结构电气一体化波导网络设计方法中，还包括：
根据飞行器仪器舱内的可用安装空间，按照设定距离间隔，将ka频段设备和ka天线安装固定在所述飞行器仪器舱内的安装支架上；其中，所述设定距离间隔为：200mm～300mm。
在上述结构电气一体化波导网络设计方法中，所述根据已安装固定的ka频段设备和已安装固定的ka天线之间的第一相对位置，选择与所述第一相对位置相匹配的第一金属波导，包括：
根据已安装固定的ka频段设备和已安装固定的ka天线之间的第一相对位置，确定所述ka频段设备ka天线之间的可用空间；
从第一样本集合中筛选得到满足所述可用空间的p个备选金属波导；其中，p≥1；
分别对所述p个备选金属波导对应的信号衰减进行计算，得到各个备选金属波导对应的第二信号衰减；
将第二信号衰减小于等于第一子衰减阈值的备选金属波导确定为所述第一金属波导；其中，所述第一子衰减阈值小于所述总衰减阈值。
在上述结构电气一体化波导网络设计方法中，通过如下公式计算备选金属波导对应的信号衰减β1：
其中，
所述备选金属波导的形状包括如下形状中的至少一种：t型、l型和u型。
在上述结构电气一体化波导网络设计方法中，所述根据安装后的第一金属波导与所述ka天线之间的第二相对位置，选择与所述第二相对位置相匹配的第一柔性波导，包括：
根据安装后的第一金属波导与所述ka天线之间的第二相对位置，确定所述第一金属波导与所述ka天线之间的距离；
从第二样本集合中筛选得到满足所述距离的q个备选柔性波导；其中，q≥1；
分别对所述q个备选柔性波导对应的信号衰减进行计算，得到各个备选柔性波导对应的第三信号衰减；
将第三信号衰减小于等于第二子衰减阈值的备选柔性波导确定为所述第一柔性波导；其中，所述第二子衰减阈值小于所述总衰减阈值。
在上述结构电气一体化波导网络设计方法中，通过如下公式计算备选柔性波导对应的信号衰减β2：
β2＝cn+dl
其中，c和d分别表示备选柔性波导的插头衰减系数和长度衰减系数，n表示备选柔性波导的插头数量，l表示备选柔性波导的长度。
在上述结构电气一体化波导网络设计方法中，还包括：
根据安装后的第一金属波导和所述第一柔性波导之间的第三相对位置，选择与所述第三相对位置相匹配的波同转换插头；
使用所述波同转换插头，将所述第一金属波导与所述第一柔性波导进行连接；
其中，所述波同转换插头的形状包括如下形状中的至少一种：l型和i型；所述波同转换插头的信号衰减β3：β3＝τm；其中，τ表示波同转换插头的衰减系数，m表示波同转换插头的数量。
在上述结构电气一体化波导网络设计方法中，所述分别计算所述多个备选波导网络对应的通信链路的第一信号衰减，将第一信号衰减小于等于总衰减阈值的一个或多个备选波导网络作为设计波导网络，包括：
分别计算第一金属波导的信号衰减、第一柔性波导的信号衰减和波同转换插头的信号衰减；
将计算得到的第一金属波导的信号衰减、第一柔性波导的信号衰减和波同转换插头的信号衰减之和，作为所述第一信号衰减。
在上述结构电气一体化波导网络设计方法中，还包括：
根据所述第一金属波导的安装位置和所述第一金属波导的结构尺寸，选择多个支撑支架；
将所述多个支撑支架的固定端按照设定间隔安装在飞行器仪器舱内；其中，所述多个支撑支架的支撑端与所述第一金属波导连接，用于支撑所述第一金属波导；
其中，所述设定间隔为：200mm；支撑支架的支撑端长度为50mm，壁厚为2mm；支撑支架的截面为三角形。
相应的，本发明还公开了一种结构电气一体化波导网络结构，包括：ka频段设备、ka天线、金属波导、柔性波导和波同转换插头和多个支撑支架；
所述ka频段设备和ka天线按照设定距离间隔安装在飞行器仪器舱内的安装支架上；
金属波导与ka频段设备连接；
金属波导通过波同转换插头与所述柔性波导的首端连接；
所述柔性波导的末端与所述ka天线连接；
所述多个支撑支架的固定端按照设定间隔安装在飞行器仪器舱内；所述多个支撑支架用于支撑所述金属波导。
本发明具有以下优点：
(1)本发明所述的结构电气一体化波导网络设计方法，根据ka频段设备和ka天线之间的相对位置，分别进行金属波导-柔性波导的波导网络设计，在合理布局波导网络的同时，进行通信链路的信号衰减计算，确保波导网络的电气性能满足指标要求，实现了波导网络的结构电气一体化设计。
(2)本发明所述的结构电气一体化波导网络设计方法，实现了波导网络敷设路径的优化，压缩了波导空间，减少了链路衰减，提升了电气性能。
(3)本发明所述的结构电气一体化波导网络设计方法，可在确保链路可靠的前提下，采用柔性波导替代金属波导，柔性波导与金属波导相结合的方式增加了波导网络的可设计性。
(4)本发明所述的结构电气一体化波导网络设计方法，综合考虑了金属波导的折弯半径、腔体长度等结构参数，采用了波同转换的设计方案，提升了工艺性。
(5)本发明所述的结构电气一体化波导网络设计方法，ka频段设备与金属波导之间采用波导网络机械接口的协同设计，降低了金属波导的安装难度，此外，支撑支架的设计提高了金属波导的整体刚度，提升了金属波导的连接可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例中一种结构电气一体化波导网络设计方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中一种ka频段设备和ka天线的安装示意图；
图3是本发明实施例中一种结构电气一体化波导网络结构的结构示意图；
图4是图3中所示的金属波导的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。
本发明公开了一种结构电气一体化波导网络设计方法和结构，适用于高超声速飞行器舱体的复杂空间结构，通过结构数字模装，模拟设备间的插接，以此确定波导网络空间包络，完成波导网络的空间设计。在设计波导网络的同时，进行通信链路衰减计算，确保波导电性能满足指标要求，实现电气结构一体化设计。
参照图1，示出了本发明实施例中一种结构电气一体化波导网络设计方法的步骤流程图。在本实施例中，所述结构电气一体化波导网络设计方法，包括：
步骤101，根据飞行器仪器舱内的可用安装空间，按照设定距离间隔，将ka频段设备和ka天线安装固定在所述飞行器仪器舱内的安装支架上。
在本实施例中，可以根据飞行器仪器舱内的可用安装空间，将ka频段设备和ka天线临近安装，优选的，所述设定距离间隔为：200mm～300mm(包括200mm和300mm)。其中，所述设定距离间隔是指：ka频段设备与ka天线的设备接口之间的直线距离。
步骤102，根据已安装固定的ka频段设备和已安装固定的ka天线之间的第一相对位置，选择与所述第一相对位置相匹配的第一金属波导。
在本实施例中，根据已安装固定的ka频段设备和已安装固定的ka天线之间的第一相对位置，可以确定所述ka频段设备ka天线之间的可用空间；进而，可以从第一样本集合中筛选得到满足所述可用空间的p(p≥1)个备选金属波导；分别对所述p个备选金属波导对应的信号衰减进行计算，得到各个备选金属波导对应的第二信号衰减；将第二信号衰减小于等于第一子衰减阈值的备选金属波导确定为所述第一金属波导。
其中，所述第一子衰减阈值小于所述总衰减阈值。所述第一样本集合可以是根据历史经验数据(大数据)等任意方式得到的金属波导的集合，所述第一样本集合中可以包括：适用于任意空间大小的各类形状、尺寸、大小等各不相同的备选金属波导。如，所述备选金属波导的形状包括如下形状中的至少一种：t型、l型和u型。
优选的，在本实施例中，可以通过如下公式计算备选金属波导对应的信号衰减β1：
其中，
步骤103，根据所述ka频段设备的安装位置，确定所述第一金属波导的安装位置并安装。
在本实施例中，可以将第一金属波导直接与ka频段设备连接安装，也即，根据所述ka频段设备的安装位置，确定所述第一金属波导的安装位置并安装。
步骤104，根据安装后的第一金属波导与所述ka天线之间的第二相对位置，选择与所述第二相对位置相匹配的第一柔性波导。
ka金属波导电性能好，但占用空间，ka柔性波导相比金属波导柔性好，可设计性强，但信号衰减大，二者兼顾使用可优化波导网络的电气性能与结构性能。在本实施例中，采用金属波导和柔性波导结合的设计方法，重点统筹考虑柔性波导的直径、拐弯半径、接头直线段长度等参数，保证在采用柔性波导替代金属波导之后，整体波导网络能够同时满足空间插接要求和电气性能指标要求。
在本实施例中，根据安装后的第一金属波导与所述ka天线之间的第二相对位置，可以确定所述第一金属波导与所述ka天线之间的距离；进而，可以从第二样本集合中筛选得到满足所述距离的q(q≥1)个备选柔性波导；分别对所述q个备选柔性波导对应的信号衰减进行计算，得到各个备选柔性波导对应的第三信号衰减；将第三信号衰减小于等于第二子衰减阈值的备选柔性波导确定为所述第一柔性波导。
其中，所述第二子衰减阈值小于所述总衰减阈值。所述第二样本集合可以是根据历史经验数据(大数据)等任意方式得到的柔性波导的集合，所述第二样本集合中可以包括：适用于任意空间大小的各类直径、拐弯半径、接头直线段长度等各不相同的备选柔性波导。
优选的，在本实施例中，可以通过如下公式计算备选柔性波导对应的信号衰减β2：
β2＝cn+dl
其中，c和d分别表示备选柔性波导的插头衰减系数和长度衰减系数，n表示备选柔性波导的插头数量，l表示备选柔性波导的长度。
步骤105，根据选择的第一金属波导和第一柔性波导，通过结构数字模装，模拟设备间的插接，得到多个备选波导网络。
在本实施例中，通过结构数字模装，可以模拟多种可行的插接方式，实现设备间的插接，进而得到多个备选波导网络。
步骤106，分别计算所述多个备选波导网络对应的通信链路的第一信号衰减，将第一信号衰减小于等于总衰减阈值的一个或多个备选波导网络作为设计波导网络。
在本实施例中，需要综合考虑备选波导网络的结构和电气性能，故在得到多个备选波导网络之后，还需要对备选波导网络的电气性能进行验证：分别计算所述多个备选波导网络对应的通信链路的第一信号衰减，将第一信号衰减小于等于总衰减阈值的一个或多个备选波导网络作为最终用于应用的设计波导网络。
在本发明的一优选实施例中，考虑到金属波导拐弯带来的弯边工艺性难题，还可以根据安装后的第一金属波导和所述第一柔性波导之间的第三相对位置，选择与所述第三相对位置相匹配的波同转换插头；使用所述波同转换插头，将所述第一金属波导与所述第一柔性波导进行连接；进而减少第一金属波导的拐弯数量，简化工艺流程。其中，所述波同转换插头的形状包括如下形状中的至少一种：l型和i型，满足插接多样性需求，波同转换插头的设计改变了接口的插接方向，避免了金属波导拐弯带来的弯边工艺性难题。
其中，所述波同转换插头的信号衰减β3：β3＝τm；其中，τ表示波同转换插头的衰减系数，m表示波同转换插头的数量。此外，所述波同转换插头还需要满足一定的端口驻波比(如，≤1.2：1)。
进一步优选的，在本实施例中，在进行第一信号衰减计算时，可以采用如下分步计算方式：分别计算第一金属波导的信号衰减、第一柔性波导的信号衰减和波同转换插头的信号衰减；将计算得到的第一金属波导的信号衰减、第一柔性波导的信号衰减和波同转换插头的信号衰减之和，作为所述第一信号衰减。
在本发明的一优选实施例中，为追求电性能，金属波导一般为铝制腔体结构，刚度较差，在飞行器极端振动和噪声环境下易失稳，为了解决这一问题，本发明还设计了用于支撑所述金属波导的支撑支架。优选的，所述结构电气一体化波导网络设计方法，还可以包括：
步骤107，根据所述第一金属波导的安装位置和所述第一金属波导的结构尺寸，选择多个支撑支架。
步骤108，将所述多个支撑支架的固定端按照设定间隔安装在飞行器仪器舱内。
在本实施例中，所述多个支撑支架的支撑端与所述第一金属波导连接，用于支撑所述第一金属波导。其中，所述设定间隔可以但不仅限于为：200mm；支撑支架的支撑端长度可以但不仅限于为50mm，壁厚可以但不仅限于为2mm；支撑支架的截面可以但不仅限于为三角形。
结合上述实施例，本实施例通过一个实际应用场景为例进行详细说明。
步骤s1，安装ka频段设备和ka天线。
参照图2，示出了本发明实施例中一种ka频段设备和ka天线的安装示意图。在本实施例中，可以根据飞行器仪器舱内的可用安装空间，确定ka频段设备和ka天线在设备安装支架上的安装位置，因设备和天线间用波导连接，故在安装时确保ka频段设备和ka天线的距离相近(临近安装)，如此布局下的波导敷设长度较短。
步骤s2，确定金属波导的结构形式。
如图2，在ka频段设备和ka天线安装完成之后，可以确定ka频段设备和ka天线之间的波导安装空间，进而确定金属波导的结构形式。如图2，波导安装空间狭长，兼顾考虑金属波导与ka设备的接口，可以选择t型、l型或u型等与狭长空间相适应的金属波导。优选的，在选型时，可以综合比较每种波导形式的信号衰减、刚度、质量，最终确定金属波导的最优结构形式。在本实施例中，通过比较最终选择t型作为金属波导的最优结构形式。
需要说明的是，在设计波导网络的同时需要保证波导网络的电气性能，实现电气结构一体化设计。在ka频段设备-波导-ka天线构成的整个ka链路中，整个ka链路的信号衰减需要小于等于一个预设的总衰减阈值。如，根据工程经验可以确定：整个ka链路的信号衰减β≤8db。
如前所述，在本实施例中，选择了t型金属波导，所述t型金属波导的结构尺寸满足图2所示的波导安装空间，同时，根据前述信号衰减β1的计算公式，可以计算得到当前t型金属波导的信号衰减β1'为3.5db。
步骤s3，确定柔性波导。
在本实施例中，基于前述步骤s1和s2确定的波导安装空间和金属波导的结构形式，可以选择对应匹配的柔性波导。在步骤s2中，t型金属波导只是作为波导网络的主体结构，并未实现设备与天线的连接，在此基础上若继续采用金属波导，不仅拐弯半径过小，且安装困难，基于上述因素，采用了柔性波导设计，采用柔性波导实现设备与天线的连接。
优选的，结合图2和上述步骤s1-2，可以选择使用长度为640mm、两端共2个插头的柔性波导。其中，为了确保柔性波导的性能，可以基于前述信号衰减β2的计算公式，计算得到当前选择的柔性波导的信号衰减β2'＝0.3×2+3×0.64＝2.52db。其中，0.3为根据工程经验确定的优选的柔性波导的插头衰减系数，3为根据工程经验确定的优选的柔性波导的长度衰减系数，本实施例对此不作限制。
步骤s4，选择波同转换插头。
在金属波导敷设时，不可避免的会出现波导拐弯的情况，由于金属波导为金属腔体结构，弯边结构将会增加工艺难度，在本实施例中，采用如l型或i型等任意适当形状的波同转换插头，可以有效解决上述问题，同时，波同转换插头还具有电气信号转换功能。一般的单个链路中使用一个同轴转换插头。优选的，同轴转换插头的信号衰减可以为0.3db/个，也即，在本实施例中，波同转换插头的信号衰减β3'＝0.3x1＝0.3。
步骤s5，波导网络是否满足电气性能要求。
在本实施例中，基于前述步骤，可以确定由金属波导-波同转换插头-柔性波导构成的波导网络。进而，基于确定的波导网络可以确定整个ka链路的实际信号衰减：βsj＝β1'+β2'+β3'＝3.5+2.52+0.3＝6.32db＜8db，故，最终确定的波导网络满足ka链路的使用要求，也即，最终确定的波导网络满足电气性能要求。
步骤s6，设置支撑支架。
如前所述，为追求电性能，金属波导为铝制腔体结构，刚度较差，在飞行器极端振动和噪声环境下易失稳。在本实施例中，在完成波导网络敷设后，可以在金属波导每隔200mm处设置一个支撑支架，用于支撑所述金属波导，有效提升了金属波导长腔体结构的刚度，，由此完成了波导网络的电气结构一体化设计。
综上所述，本发明实施例所述的结构电气一体化波导网络设计方法，根据ka频段设备和ka天线之间的相对位置，分别进行金属波导-柔性波导的波导网络设计，在合理布局波导网络的同时，进行通信链路的信号衰减计算，确保波导网络的电气性能满足指标要求，实现了波导网络的结构-电气一体化设计。同时，实现了波导网络敷设路径的优化，压缩了波导空间，减少了链路衰减，提升了电气性能。
其次，本发明实施例所述的结构电气一体化波导网络设计方法，可在确保链路可靠的前提下，采用柔性波导替代金属波导，柔性波导与金属波导相结合的方式增加了波导网络的可设计性。
再次，本发明实施例所述的结构电气一体化波导网络设计方法，综合考虑了金属波导的折弯半径、腔体长度等结构参数，采用了波同转换的设计方案，提升了工艺性。ka频段设备与金属波导之间采用波导网络机械接口的协同设计，降低了金属波导的安装难度，此外，支撑支架的设计提高了金属波导的整体刚度，提升了金属波导的连接可靠性。
在上述方法实施例的基础上，本发明还公开了一种结构电气一体化波导网络结构。参照图3，示出了本发明实施例中一种结构电气一体化波导网络结构的结构示意图。图4，是图3中所示的金属波导的结构示意图。结合图3和4，在本实施例中，所述结构电气一体化波导网络结构，包括：ka频段设备100、ka天线200、金属波导300、柔性波导400和波同转换插头500和多个支撑支架(如图3中所示的支撑支架600)。
在本实施例中，所述ka频段设备和ka天线按照设定距离间隔安装在飞行器仪器舱内的安装支架700上；金属波导与ka频段设备连接；金属波导通过波同转换插头与所述柔性波导的首端连接；所述柔性波导的末端与所述ka天线连接；所述多个支撑支架的固定端按照设定间隔安装在飞行器仪器舱内；所述多个支撑支架用于支撑所述金属波导。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！