基于机电耦合与傅里叶变换的变形面阵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，具体涉及基于机电耦合与傅里叶变换的变形面阵天线 电性能补偿方法。
【背景技术】
[0002] 天线广泛应用于通信、广播、电视、雷达和导航等无线电系统中，可辐射和接收无 线电波，是无线电通信中必不可少的装置。相比于单部天线，面阵天线辐射强度大、可靠性 高、功能多、探测和跟踪能力强、隐身性能好，因此广泛应用于各种雷达系统、导航系统和电 子对抗等领域中。
[0003] 天线是雷达系统的核心组成部分，雷达系统的性能在很大程度上取决于天线的电 性能。天线结构是天线电性能实现的载体，天线位移场的变化直接影响着天线电磁场在空 间中的幅度和相位分布。当天线服役时，工作环境载荷如自重、雨雪、太阳照射、振动、冲击 等均会改变天线结构性能，使天线产生结构误差，而天线在加工、装配过程中其结构也会产 生随机误差，这均会使天线辐射单元产生位置误差，最终导致天线增益下降、副瓣抬高、指 向偏差。天线电性能的降低会直接导致雷达系统性能的下降，甚至无法实现。因此，为了降 低结构误差对面阵天线电性能的影响，确保雷达系统能够正常工作，必须对天线电性能进 行补偿。
[0004] 有源补偿方法是天线电性能补偿的主要方式，对天线电性能进行有源补偿即通 过调整天线辐射单元的激励电流来补偿天线电性能的变化，因此，在有源补偿方法中，准 确获得变形天线激励电流的补偿量提高变形天线的电性能，是补偿方法是否有效的关 键。国内外学者在使用有源补偿方法对变形天线电性能进行补偿方面进行了很多工作， 如在 Svensson B, Lanne M, ffingard J, et al. Element position error compensation in active phased array antennas[C]//2010 Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation. 2010中即通过调整天线的激励电流对天线 的单元位置误差进行了补偿，然而，该单元位置误差是假设服从高斯分布，并非实际工况 下天线结构误差，因此，该方法得到的激励电流补偿量并不是补偿天线实际结构误差引起 的电性能变化。此外，在 Tsao J. Adaptive phase compensation for distorted phased array by minimum sidelobe response criteria[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium. Merging Technologies for the 90's.Digest. IEEE，1990:1466-1469工作中，对变形相控阵天线电性能的补偿，仅通常调整天线单元激励 电流的相位来实现，然而，调整激励电流的相位只能对天线的波束指向进行补偿，天线的副 瓣电平不会得到有效补偿，而激励电流的幅度与天线增益和副瓣电平等直接相关，因此，应 该对激励电流的相位和幅度同时进行调整，才能够使天线的电性能满足要求。
[0005] 因此，为了确保服役环境下面阵天线正常工作，如何通过调整激励电流幅度和相 位，来补偿实际工况下变形面阵天线电性能已成为目前本领域目前亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0006] 基于上述问题，为了补偿面阵天线在实际工作环境中电性能的下降，本发明使用 阵列天线机电耦合模型，得到工作环境载荷下天线电性能的变化量，并结合FFT方法对所 有的面阵天线辐射单元的激励电流幅度和相位进行调整，补偿变形阵列天线的电性能，确 保了服役环境下面阵天线可以正常工作。该方法可有效解决因工作载荷导致的面阵天线电 性能恶化问题，保证面阵天线在服役环境下正常工作，此外，该方法可快速实现对变形面阵 天线电性能的补偿，为实时补偿天线电性能提供理论指导。
[0007] 实现本发明的技术解决方案是，确定M行N列的面阵天线即M个线阵天线的结构 参数和电磁参数；根据面阵天线结构参数，建立面阵天线结构有限元模型，分析得到面阵天 线结构变形量；提取第i (I < i < M)个线阵天线，使用线阵天线机电耦合模型，计算机载环 境下第i个线列天线变形后的电性能；将第i个变形线阵天线电性能分解为理想线阵电性 能和结构变形引起的线阵电性能变化项，分别对理想线阵电性能和线阵电性能变化项进行 快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT)，得到补偿天线空间相位误差的激励电流 幅度和相位的调整量；判断是否已对所有线阵天线计算了激励电流幅度和相位的调整量， 如果满足则得到了面阵天线单元激励电流幅度和相位的调整量，否则提取下一个线阵天线 进行计算；将得到的面阵天线单元的激励电流幅度和相位的调整量，带入面阵天线机电耦 合模型，计算变形面阵天线电性能；判断补偿后的变形面阵天线电性能是否满足指标要求， 如满足，则表明得到了补偿变形面阵天线电性能最优的激励电流幅度和相位调整量，使面 阵天线在服役环境下达到最优工作性能；否则，修改面阵天线的结构参数，重复上述步骤直 至满足要求为止。
[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0009] 基于机电耦合与傅里叶变换的变形面阵天线电性能补偿方法，包括如下过程：
[0010] (1)根据M行N列的面阵天线即M个线阵天线的结构参数，确定面阵天线几何模型 参数、材料属性，同时确定面阵天线工作参数；
[0011] (2)根据面阵天线几何模型参数及材料属性，建立面阵天线结构有限元模型；根 据面阵天线安装形式确定天线有限元模型的约束条件；对面阵天线有限元模型施加机载随 机振动功率谱，计算面阵天线结构变形量，并提取面阵天线福射单元的中心节点在X，y, z 方向上的位置偏移量；
[0012] (3)提取M个线阵天线中第i(l < i SM)个线阵天线以及其辐射单元中心节点的 位置偏移量，使用线阵天线机电耦合模型，计算机载环境下第i个线阵天线变形后的电性 能；
[0013] (4)将第i个变形线阵天线电性能分解为理想线阵电性能和结构变形引起的线阵 电性能变化项，其中，线阵电性能变化项由理想线阵电性能的激励电流以及结构变形引起 的天线空间相位误差组成；
[0014] (5)分别对理想线阵电性能和线阵电性能变化项进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT)，得到补偿天线空间相位误差的激励电流幅度和相位的调整量；
[0015] (6)判断是否已对所有M个线阵天线计算了激励电流幅度和相位的调整量，如果 是，则得到了 M个线阵天线激励电流幅度和相位的调整量，否则提取下一个线阵天线，并重 复步骤（3)到步骤（6);
[0016] (7)将得到的M个线阵天线，即所有的面阵天线的激励电流幅度和相位的调整量， 带入面阵天线机电耦合模型，计算变形面阵天线电性能；
[0017] (8)判断补偿后的变形面阵天线电性能是否满足指标要求，如果满足，则表明得到 了补偿变形面阵天线电性能最优的激励电流幅度和相位调整量，使面阵天线在服役环境下 达到最优工作性能；否则，修改面阵天线的结构参数，，并重复步骤（1)到步骤（7)，直至满 足要求。
[0018] 所述步骤（1)中，面阵天线的几何模型参数，包括面阵天线辐射单元的位置分布、 个数、尺寸、单元间距，T/R组件、冷板和加强筋的尺寸参数；所述面阵天线的材料属性，包 括密度P、弹性模量E和泊松比y ;所述面阵天线的电磁工作参数，包括面阵天线的中心工 作频率f、激励电流的幅度和相位。
[0019] 所述步骤（2)中，面阵天线的结构变形量计算，根据面阵天线的结构参数及材料 属性，建立面阵天线结构有限元模型，根据面阵天线实际安装确定面阵天线有限元模型约 束条件，加载机载随机振动功率谱，计算面阵天线福射单元中心节点在X，y, z方向上的位 置偏移量。
[0020] 所述步骤（3)中，使用线阵天线机电耦合模型，计算的第i个变形线阵天线电性能 通过下式实现：
[0022] 式中，d为辐射单元间距，Iin为第i个线阵天线中第n个辐射单元理想线阵电性 能的激励电流，Ifn =為,exp(/仍J，其中Ain为激励电流幅度，为激励电流相位，k为波 常数，j为虚数单位；k = 23i/A，A为面阵天线工作波长，0为线阵天线俯仰角，AyiJP A "分别为第i个线阵中，第n个辐射单元产生的沿y向和z向的位置误差，A y i。和A z 1(] 分别为第i个线阵中，第〇个辐射单元即初始辐射单元在y向和z向的位置误差。
[0023] 所述步骤（4)中，将第i个变形线阵天线电性能分解为理想线阵电性能和结构变 形引起的线阵电性能变化项，按照如下过程进行：
[0024] 当线阵天线辐射单元的结构变形量不大于0. 06 A / Ji cos ( A /2d)时，根据指数函
对变形线阵天线的阵因子方向图进行分解：
线阵天线结构变形引起的电性能变化项；fla( 9 )表示第i个线阵天线理想电性能。
[0027] 为了对线阵理想电性能和电性能变化项进行后续快速傅里叶变换，使用U表示 sin 0，则fia( 0 )和fiae( 0 )分别表示为：
[0030] 所述步骤（5)中，分别对第i个变形线阵天线的理想线阵电性能以及电性能变化 项进行FFT变换，按照如下进行：<