一种基于阵元互耦的大型变形阵列天线副瓣性能预测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于阵元互耦的大型变形阵列天线副瓣性能预测方法，包括：根据阵列天线的结构参数和材料属性，确定阵列天线结构有限元模型；利用有限元软件进行结构有限元分析，得到阵列天线变形后阵面内阵元的位置偏移量，确定阵元的新坐标；根据阵元的新坐标，将阵列天线交叉划分成子阵，用子阵的互耦参数矩阵构建变形阵列天线整体的互耦参数矩阵；根据阵元的位置偏移量和阵元间的互耦参数，利用阵列天线机电耦合模型，计算天线远区电场分布；根据阵列天线远区的电场值，建立功率方向图极值与阵元幅度相位的关系式，计算天线的副瓣电平，从而实现阵列天线副瓣性能的快速预测。本发明可用于指导天线的结构设计以及天线副瓣性能的分析与评价。
【专利说明】一种基于阵元互耦的大型变形阵列天线副瓣性能预测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于雷达天线【技术领域】，具体涉及一种基于阵元互耦的大型变形阵列天线副瓣性能预测方法，可用于指导阵列天线的结构设计、副瓣性能仿真分析与评价。
【背景技术】
[0002]阵列天线因其可靠性高、功能多、隐身性能好等无可比拟的优势，已经广泛应用于各雷达系统中。随着世界军事技术的发展，要求雷达系统必须能够拥有更强的抗电子干扰、抗辐射导弹、抗雷达探测、抗高速反舰导弹的低空和超低空打击能力。而天线副瓣性能与雷达战术、技术指标有着密切联系，在很大程度上决定了雷达的抗干扰与抗杂波等能力，其不仅取决于馈电系统的幅度相位误差，更易受到阵元位置误差的影响，而这又受制于天线的结构设计。
[0003]阵列天线复杂的工作环境会导致天线结构变形，例如机载雷达在飞行时会带来振动激励，同时，阵列天线阵面中存在着大量的发热器件，发热总量通常达几千瓦，高热功耗会引起阵面结构热变形。可见，阵列天线的环境载荷与热功耗都会导致天线的结构变形，使阵面内阵元之间相对位置发生变化，同时引起阵元间互耦的变化，互耦又会影响天线激励电流的幅度和相位，导致天线口径场幅度相位分布发生变化，最终导致天线副瓣性能达不到要求，甚至无法实现。
[0004]为实现阵列天线的低副瓣，必须严格控制天线结构误差。然而越是低副瓣天线，对误差的敏感性越高，就要求越苛刻的阵面结构变形。为此，如何进行结构设计以实现阵列天线的副瓣性能，是研制高性能阵列天线过程中必须解决的难题之一。
[0005]目前，主要有以下几种做法:(I)研究阵列天线加权的理论和方法，直接将阵元位置随机误差等效为阵元激励的随机误差，给出独立随机误差与天线副瓣电平之间的近似公式。如在《现代雷达》1996年第6期“超低副瓣阵列天线的公差分析”(向广志)文献中就采用这种方法。但这种方法没有从根本上分析天线结构变形是如何影响天线电性能的，即不能在满足副瓣性能指标前提下给出降低结构设计难度的方案。
[0006](2)假设天线阵面结构变形规律已知，将阵面变形用一具体的函数给出，从而分析不同变形情况下的天线电性能变化情况，如在Analysis of performance of activephased array antennas with distorted plane error.1nternational Journal ofElectronics, 2009年，96卷，5期，549-559.中分析了阵面弯曲和碗状两种特定变形对天线电性能的影响。这种方法仅是假设阵面变形满足特定的规律，但实际中结构变形难以用某一具体函数给出，这导致其在工程中的应用范围受到限制，难以进行推广。
[0007](3)采用实际工程中的阵列天线变形阵面上的测量点作为计算对象，分析天线阵面变形对天线电性能的影响。此方法工程应用价值大，但关键是要有实际加工、装配好的天线，且需在天线实物上进行测量分析。一般天线结构设计人员在仿真设计阶段需要掌握当前结构下的天线电性能，并据此判断是否需要更改或重新设计天线结构，而不能在天线结构已确定、阵面已加工成形、装配也已完成的情况下，再来分析天线的电性能。[0008]因此，有必要深入研究阵列天线结构与电磁之间的耦合关系，以快速且准确地评价当前阵列天线结构设计方案是否满足天线的副瓣性能指标。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是避免上述现有技术方法的不足，提出一种基于阵元互耦的大型变形阵列天线副瓣性能预测方法，指导阵列天线结构的机电耦合设计，以降低设计成本、提高天线机电综合性能。
[0010]实现本发明目的的技术解决方案是，一种基于机电耦合的变形阵列天线副瓣预测方法，该方法包括下述步骤:
[0011](I)根据阵列天线的结构参数和材料属性，确定阵列天线结构有限元模型；
[0012](2)利用有限元软件，对振动载荷下的阵列天线结构进行动力学分析，得到结构变形后阵元的位置偏移量，进而确定阵元的新坐标；
[0013](3)根据阵元的新坐标，将阵列天线交叉划分成Nu个子阵，利用电磁仿真软件分别获取各子阵的互耦参数矩阵，并用Nu个子阵的互耦参数矩阵构建变形阵列天线整体的互耦参数矩阵；
[0014](4)根据阵元的位置偏移量和阵元间的互耦参数，利用阵列天线机电耦合模型，计算天线远区电场分布；
[0015](5)根据阵列天线远区的电场值，建立功率方向图极值与阵元幅度相位的关系式，计算天线的副瓣电平；
[0016](6)根据天线设计的副瓣电平要求，判断计算出的副瓣电平是否满足要求，如果满足要求则天线结构设计合格；否则，修改结构设计参数，并重复步骤(I)至步骤(5)，直至满足要求。
[0017]所述步骤(I)阵列天线的结构参数，包括阵元、T/R组件、冷板、阵面框架的参数；阵列天线的材料属性包括弹性模量、泊松比和密度。
[0018]所述步骤(2)得到阵面变形后阵元的位置偏移量包括如下步骤:
[0019](2a)给定阵列天线结构有限元模型的约束条件和机载随机振动加速度功率谱，利用有限元软件计算阵列天线的振动变形量；
[0020](2b)提取阵列天线有限元模型中各阵元中心节点在X，y, z方向上的位置偏移量(Δχ, Ay, Δζ)。
[0021]所述步骤(3)构建变形阵列天线整体的互耦参数矩阵包括如下步骤:
[0022](3a)令阵元间的间距以天线工作波长λ为单位，根据天线阵面变形后阵元的新坐标，将阵列天线在χ轴向和y轴向均以7 λ为间距交叉划分成Nu个子阵，子阵的交叉距离为3.5 λ ；
[0023](3b)利用电磁仿真软件分别计算出各子阵的互耦参数矩阵Si, i为I?Nu之间的自然数；
[0024](3c)根据所划分的子阵，将各子阵的互耦参数矩阵Si填入到总的互耦参数矩阵中对应的位置，其中子阵i和子阵i+Ι之间交叉的阵元间互耦参数均用子阵i+Ι内阵元间互耦参数si+1内对应参数来表示，i为I?Nu之间的自然数，构建成阵列天线总的互耦参数矩阵S。[0025]所述步骤(4)阵列天线的机电耦合计算包括如下步骤:
[0026](4a)设阵列天线共有M行、N列阵元按等间距矩形栅格阵排列，阵元在X，y方向上的间距分别为dx，dy;目标相对于坐标系O-xyz所在的方向(武供)以方向余表示为
(cos α χ, cos a y, cos a z)，由此得到目标相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系为
[0027]
【权利要求】
1.一种基于阵元互耦的大型变形阵列天线副瓣性能预测方法，包括如下过程: (1)根据阵列天线的结构参数和材料属性，确定阵列天线结构有限元模型； (2)利用有限元软件，对振动载荷下的阵列天线结构进行动力学分析，得到结构变形后阵元的位置偏移量，进而确定阵元的新坐标； (3)根据阵元的新坐标，将阵列天线交叉划分成Nu个子阵，利用电磁仿真软件分别获取各子阵的互耦参数矩阵，并用Nu个子阵的互耦参数矩阵构建变形阵列天线整体的互耦参数矩阵； (4)根据阵元的位置偏移量和阵元间的互耦参数，利用阵列天线机电耦合模型，计算天线远区电场分布； (5)根据阵列天线远区的电场值，建立功率方向图极值与阵元幅度相位的关系式，计算天线的副瓣电平； (6)根据天线设计的副瓣电平要求，判断计算出的副瓣电平是否满足要求，如果满足要求则天线结构设计合格；否则，修改结构设计参数，并重复步骤(1)至步骤(5)，直至满足要求。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵元互耦的大型变形阵列天线副瓣性能预测方法，其特征在于，步骤(1)阵列天线的结构参数，包括阵元、T/R组件、冷板、阵面框架的参数；阵列天线的材料属性包括弹性模量、泊松比和密度。
3.根据权利要求1所述的一种基于阵元互耦的大型变形阵列天线副瓣性能预测方法，其特征在于，步骤(2)按如下过程进行: (2a)给定阵列天线结构有限元模型的约束条件和机载随机振动加速度功率谱，利用有限元软件计算阵列天线的振动变形量； (2b)提取阵列天线有限元模型中各阵元中心节点在x，y，z方向上的位置偏移量(Δχ, Ay, Δζ)。
4.根据权利要求1所述的一种基于阵元互耦的大型变形阵列天线副瓣性能预测方法，其特征在于，步骤(3)按如下过程进行: (3a)令阵元间的间距以天线工作波长λ为单位，根据天线阵面变形后阵元的新坐标，将阵列天线在X轴向和y轴向均以7 λ为间距交叉划分成Nu个子阵，子阵的交叉距离为3.5入； (3b)利用电磁仿真软件分别计算出各子阵的互耦参数矩阵Si, i为I~Nu之间的自然数； (3c)根据所划分的子阵，将各子阵的互耦参数矩阵Si填入到总的互耦参数矩阵中对应的位置，其中子阵i和子阵i+Ι之间交叉的阵元间互耦参数均用子阵i+Ι内阵元间互耦参数Si+1内对应参数来表示，i为I~Nu之间的自然数，构建成阵列天线总的互耦参数矩阵S。
5.根据权利要求1所述的一种基于阵元互耦的大型变形阵列天线副瓣性能预测方法，其特征在于，步骤(4)按如下过程进行: (4a)设阵列天线共有M行、N列阵元按等间距矩形栅格阵排列，阵元在X，y方向上的间距分别为dx，dy;目标相对于坐标系O-xyz所在的方向《爲一以方向余表示为 (cos α χ, cos a y, cos a z)，由此得到目标相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系为
6.根据权利要求1所述的一种基于机电耦合的变形阵列天线副瓣预测方法，其特征在于，步骤(5)按如下过程进行:(5a)根据电场分布F (仏M，计算出天线功率方向图为
【文档编号】G06F17/50GK104036093SQ201410298622
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】王从思, 康明魁, 段宝岩, 黄进, 王伟, 王猛, 宋立伟, 李鹏, 王伟锋, 王艳 申请人:西安电子科技大学