基于机电耦合与最小二乘法的变形阵列天线电性能补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于天线技术领域，具体设及基于机电禪合与最小二乘法的变形阵列天线 电性能的补偿方法。
【背景技术】
[0002] 天线在通信、广播、电视、雷达和导航等无线电系统中被广泛的应用，起到了传播 无线电波的作用，是有效地福射和接收无线电波必不可少的装置。阵列天线能够形成不 同于一般单元天线的福射特性，尤其是可W形成指向某部分空间的比单元天线强得多的福 射，并且，因其可靠性高、功能多、探测和跟踪能力高、隐身性能好等优势，已经广泛应用于 各种雷达系统、导航、电子对抗等领域中。
[0003] 天线阵面是雷达系统的核屯、结构部分，天线电性能在很大程度上依赖于其机械结 构，天线阵面作为电磁信号传输的载体和边界条件，其位移场直接影响着电磁场在空间中 的幅度和相位分布。天线阵面在加工、装配过程中会产生随机误差；天线工作时，受到自重、 雨雪、太阳照射、振动、冲击、高功率器件发热等载荷影响会引起天线阵面产生结构变形。天 线阵面的随机误差和结构变形都会引入天线单元位置误差，从而导致天线增益下降、副瓣 抬高、指向精度变差等。阵列天线的电性能指标决定着雷达整机系统的性能指标，为降低结 构误差对阵列天线电性能的影响，确保雷达系统能够正常工作，需对天线电性能进行补偿。
[0004] 为解决结构误差对天线电性能的影响问题，主要有两种途径；一种是机械补偿方 法，通过提高天线结构的刚强度或增加主动调节装置，降低由外部载荷引起的结构变形， 但该会使得天线系统的重量增加、结构复杂度提高；如在MorrisD,BremerM,ButinG，et al.SurfaceadjustmentoftheIRAM30mradiotelescope[J].lETMicrowave,Antennas andPropagation, 2009, 3(1) :99-108中即通过反复调整天线的面板结构，来降低环境载荷 造成的天线结构误差从而保证天线电性能，然而调整过程耗时且调整效率低。
[0005] 另一种途径是电子补偿方法，又称有源补偿，通过调整福射单元上的激励电流 实现对天线电性能的补偿，有源补偿方法可在不增加结构重量及复杂度的情况下，有效 降低结构变形对天线电性能的影响。然而，在有源补偿方法中，国内外很多工作仅从单 一电性能方面来考虑实施补偿作用，如在SonSH,EomSY,JeonSI,etal.Automatic phasedcorrectionofphasedarrayantennasbyageneticalgorithm[J].Antennas andPropagation, 2008, 56(8) : 2751-2754中仅考虑对包含相位误差的天线电性能，如何 通过遗传算法来补偿该误差相位，并没有将误差的来源如结构变形直接引入到补偿分析 过程中；此外，也有研究工作采用有源补偿方法来补偿结构误差导致的天线电性能变化， 女曰在SvenssonB,LanneM,WingardJ,etal.Elementpositionerrorcompensation inactivephasedarrayantennas[C]//2010ProceedingsoftheFourthEuropean ConferenceonAntennasandPropagation. 2010中即对天线的单元位置误差进行了补偿， 然而，该天线单元的位置误差仅是假设其服从高斯分布，而并没有根据结构有限元分析来 研究实际工况下天线的结构误差对其电性能的影响。
[0006] 因此，在分析天线实际机载环境下结构变形的基础上，建立该结构变形与天线电 性能之间的联系，并使用有源补偿方法补偿了结构变形对天线电性能的影响。提供一种有 效解决实际工况下天线结构变形对其电性能的影响，实现对变形阵列天线电性能的有源补 偿，确保在服役环境下阵列天线能正常工作的方法成为目前本领域亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0007] 基于上述问题，本发明基于阵列天线的机电禪合模型，结合最小二乘法，实现了针 对变形阵列天线的电性能补偿，可用于解决由载荷引起的结构变形导致的天线电性能恶化 问题，从而确保服役环境下天线能够正常工作。
[000引实现本发明的技术解决方案是，确定阵列天线的几何模型参数、材料属性和电磁 工作参数；根据结构参数、约束及载荷等信息，通过有限元分析得到天线阵面的变形量；利 用机电禪合模型分别计算理想情况和变形情况阵列天线的电性能；根据最小二乘法，计算 得到激励电流的补偿量；判断补偿后的天线电性能是否满足指标要求，若满足，则该补偿方 法能够实现对变形阵列天线电性能的补偿；若不满足，则修改结构参数，重复上述步骤直至 满足要求为止。
[0009] 本发明是通过W下技术方案实现的：
[0010] 基于机电禪合与最小二乘法的变形阵列天线电性能补偿方法，包括如下过程：
[0011] (1)根据平面阵列天线的基本结构，确定平面阵列天线的几何模型参数、材料属性 和电磁工作参数；
[0012] (2)根据平面阵列天线的几何模型参数及材料属性，建立平面阵列天线结构有 限元模型；根据平面阵列天线的安装形式确定天线有限元模型的约束位置及约束方式； 对天线结构有限元模型施加随机振动加速度功率谱，计算得到平面阵列天线随机振动 变形量，分别提取平面阵列天线的各个福射单元中屯、节点在X，y，Z方向上的位置偏移量 (Ax, Ay, Az)；
[0013] (3)根据平面阵列天线的电磁工作参数及各个福射单元中屯、节点的位置偏移量， 利用阵列天线机电禪合模型，分别计算理想情况和变形情况下的阵列天线的电性能；
[0014] (4)由平面阵列天线机电禪合模型得到的理想阵列天线和变形阵列天线的方向图 函数，结合最小二乘法，求解理想和变形天线方向图之间差值平方最小的方程，得到激励电 流的补偿量；将补偿激励电流带入变形阵列天线的方向图函数表达式中，得到补偿后的天 线方向图；
[0015] (5)判断补偿后的天线电性能是否满足指标要求，如果满足要求，则该方法能够实 现对变形阵列天线电性能的补偿；否则，修改阵列天线的结构参数，并重复步骤（1)到步骤 巧），直至满足要求。
[0016] 所述步骤（1)中，阵列天线的几何模型参数，包括天线阵面口径、阵内福射单元的 个数及其排布形式、单元间距参数W及福射单元、T/R组件、冷板和加强筋的尺寸参数；所 述平面阵列天线的材料属性，包括密度P、弹性模量E和泊松比y;所述阵列天线的电磁工 作参数，包括阵列天线的福射单元形式、中屯、工作频率f与波长入。
[0017] 所述步骤（2)中，阵列天线的阵面变形量计算，根据天线的结构参数及各部分材 料属性，建立阵列天线有限元模型，根据阵列天线的安装情况施加约束，对阵列天线有限 元模型施加机载随机振动加速度功率谱，计算得到阵列天线的各个福射单元中屯、节点在 X，y,Z方向上的位置偏移量为（AX。，Ay。，AZ。）......（A x。，A y。，A zj，其中n为 0~N-1之间的自然数，代表阵列天线中N个福射单元的编号。
[001引所述步骤（3)中，机电禪合模型计算阵列天线电性能按照如下进行：
[0019] (3a)设阵列天线中共有N个福射单元，第n号福射单元的位置矢量为巧， (巧,=而:-+义J- + )，观察点P相对于坐标系0-xyz所在的方向（日，4 )上的方位矢量 /V 为& ( & 二cosa、!' +cosa,../ +cosa_A'），其中；
[0020]
【主权项】
1. 基于机电耦合与最小二乘法的变形阵列天线电性能补偿方法，其特征在于，包括如 下过程： (1) 根据平面阵列天线的基本结构，确定平面阵列天线的几何模型参数、材料属性和电 磁工作参数； (2) 根据平面阵列天线的几何模型参数及材料属性，