星载微带阵列天线热变形对电性能影响的快速预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于天线技术领域，具体涉及一种星载微带阵列天线热变形对电性能影响 的快速预测方法。
【背景技术】
[0002] 随着星载天线的飞跃式发展，对天线多功能、多波段、远距离、高功率等性能要求 越来越高。由于对卫星通信数据传输容量的要求越来越大，原来采用的小口径低增益天线 已无法满足应用的要求。而采用星载阵列天线是解决上述难题的途径之一，它不仅克服了 星载反射面天线机械扫描时惯性大、速度慢、可靠性相对较低等问题，同时具有更多的设计 自由度，如线阵、平面阵、共形阵等，能很好地实现高增益、窄波瓣、空间扫描、空间多目标跟 踪、空分多址和自主控制等功能，广泛用于通信、空中交通管制、医疗、矿产资源探测、反恐 缉毒等许多方面。微带天线具有剖面低、质量轻、体积小、可以根据不同的要求设计成各种 形状，而且具有成型工艺简单、大批量生产时成本低等一系列优点，满足了星载阵列天线单 元体积小和重量轻等要求，被广泛用于星载阵列天线中。
[0003] 星载微带阵列天线系统在轨服役阶段，温度环境极其恶劣，温度波动范围可达-160°C?120°C，受太空恶劣温度环境的影响，导致星载微带阵列天线易发生结构热变形。 对于低剖面的微带阵列天线而言，结构热变形引起微带天线单元形状改变、位置偏移和指 向发生偏转，严重影响天线的电性能。卫星一旦发射上天很难再进行修补，为此，根据星载 微带阵列天线热变形情况快速预测天线电性能的变化，从而指导星载微带阵列天线的热设 计、结构设计，减少研制成本，缩短研制周期，成为研制高性能星载阵列天线的重要手段之 〇
[0004] 目前，国内外学者在分析变形对星载阵列天线电性能的影响时通常采用数值 计算方法，如在OssowskaA,KimJH,ffiesbeckff.Influenceofmechanicalantenna distortionsontheperformanceoftheHRWSSARsystem[C]//International GeoscienceandRemoteSensingSymposium(IGARSS).Barcelona:IEEE, 2007:2152-2155 中采用建立数学模型和统计的方法分析了结构变形对高性能星载阵列天线电性能的影 响。此方法存在的主要问题是将阵中每个天线单元视为点源，结构变形等效为阵元位置 的变化，忽略了变形引起的微带天线单元自身结构变形和单元指向发生变化，对于星载阵 列天线主要形式之一的微带阵列天线而言，此方法无法准确预估变形对天线电性能的影 响。如在PierroRS,ParkerSE,SchneibleR,etal.SBRwaveformandprocessing parametersasafunctionofarraydistortion[C]//AerospaceConference.Big Sky,MT:IEEE, 2006:1-15中通过建立数学模型分析了星载阵列天线阵面变形对其性能的 影响。此方法存在的主要问题是将阵中每个天线单元视为点源，结构变形等效为阵元位置 的变化，同样无法准确预估变形对星载微带阵列天线电性能的影响。如在周金柱，黄进， 段宝岩，等.有源夹层微带天线结构与电磁综合的数据驱动设计方法及天线[P].申请时 间：2013-04-12.专利国别：中国，专利号：201310127319中通过数学建模的方法实现天 线结构与电磁综合集成设计。此方法在处理阵面变形数据时仅考虑变形后的各微带辐射单 元的位置误差而忽略了各微带辐射单元自身结构变形和指向的偏转，同样无法准确预估变 形对微带阵列天线电性能的影响。
[0005]因此，对于星载微带阵列天线有必要建立其结构位移场与辐射场之间耦合关系的 机电耦合模型，分析并计算星载微带阵列天线在热载荷环境下产生的阵面变形所引起的微 带天线单元自身结构变化、位置偏移和指向偏转对微带阵列天线电性能的影响。
【发明内容】
[0006] 针对上述问题，本发明可以实现星载微带阵列天线辐射场的结构与电磁耦合分 析，可用于快速评价星载微带阵列天线结构热变形对电性能的影响，从而指导星载微带阵 列天线的热设计、结构设计，减少研制成本，缩短研制周期。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案是，确定星载微带阵列天线的几何模型参数、材 料属性和电磁工作参数；建立微带阵列天线的结构有限元模型；确定阵列天线有限元模型 的约束条件与热载荷环境，计算在约束和热载荷环境下星载微带阵列天线的阵面变形；计 算热载荷环境下星载微带阵列天线有限元模型中每个天线单元自身结构变形量、每个天线 单元中心节点在安装平面内和安装平面法向的位置偏移量、每个天线单元的法向的指向偏 转量；根据微带阵列天线的几何模型参数和电磁工作参数计算微带天线单元辐射方向图； 根据微带阵列天线有限元模型中天线单元的位置偏移量，计算阵中相邻两天线单元在观察 点处的辐射场空间相位差，进而得到微带阵列天线辐射场的口面相位误差；结合微带阵列 天线单元辐射方向图、辐射场的口面相位误差和天线单元指向偏转量，计算微带阵列天线 辐射场方向图；根据辐射场方向图，分析热载荷环境下的星载微带阵列天线结构热变形对 天线辐射性能的影响。
[0008] 本发明是通过以下述技术方案实现的：
[0009] 一种星载微带阵列天线热变形对电性能影响的快速预测方法，包括如下步骤：
[0010] (1)根据星载微带阵列天线的基本结构，确定星载微带阵列天线的几何模型参数、 材料属性和电磁工作参数；
[0011] ⑵根据星载微带阵列天线的几何模型参数和材料属性在ANSYS软件中建立星载 微带阵列天线的结构有限元模型；根据星载微带阵列天线的安装形式确定结构有限元模型 的约束，并在结构有限元模型上加载热载荷；计算星载微带阵列天线在热载荷环境下的阵 面热变形；
[0012] (3)计算在热载荷环境下星载微带阵列天线中每个天线单元自身结构变形量；每 个天线单元中心节点在安装平面（x，y)方向和安装平面法向（z)的位置偏移量；以及每个 天线单元的指向偏转量；
[0013] (4)根据星载微带阵列天线的几何模型参数、电磁工作参数以及在热载荷环境下 星载微带阵列天线单元自身结构变形量，计算微带阵列天线单元辐射方向图函数；
[0014] (5)根据星载微带阵列天线有限元模型中天线单元的位置偏移量，计算星载微带 阵列天线中相邻两天线单元在观察点处的辐射场空间相位差，进而得到星载微带阵列天线 辐射场的口面相位误差；
[0015] (6)综合星载微带阵列天线单元辐射方向图函数、星载微带阵列天线辐射场口面 相位误差和天线单元指向偏转量，建立星载微带阵列天线机电耦合模型，根据星载微带阵 列天线机电耦合模型绘制得到阵列天线辐射场方向图；
[0016] (7)根据星载微带阵列天线辐射场方向图，分析在热载荷环境下星载微带阵列天 线结构热变形对天线福射性能的影响。
[0017] 所述步骤（1)中，星载微带阵列天线的几何模型参数，包括星载微带阵列天线中 微带天线单元的行数、列数和单元间距，以及微带阵列天线阵面支撑结构的参数；所述星载 微带阵列天线的材料属性包括微带阵列天线阵面支撑结构及天线单元的材料属性，包括介 电常数e、介质损耗、弹性模量E、剪切模量G、泊松比、热膨胀系数a及导热系数；所述星 载微带阵列天线的电磁工作参数，包括微带阵列天线的天线单元形式、中心工作频率f、工 作波长入。
[0018] 所述步骤（2)按照如下过程进行：
[0019] (2a)根据星载微带阵列天线的几何模型参数和材料属性在ANSYS软件中建立星 载微带阵列天线的结构有限元模型；
[0020] (2b)根据工程实际中星载微带阵列天线的安装位置，确定星载微带阵列天线结构 有限元模型的约束条件和约束位置；
[0021] (2c)通过ANSYS软件分别对星载微带阵列天线施加热浸透温度环境与热梯度温 度环境；
[0022] (2d)计算星载微带阵列天线在热载荷环境下的阵面热变形。
[0023] 所述步骤⑶按如下过程进行：
[0024] (3a)根据星载微带阵列天线在热载荷环境下的阵面热变形，提取星载微带阵列天 线结构热变形有限元模型的节点位移信息，在MATLAB软件中进行曲面拟合，生成面方程， 获得星载微带阵列天线结构热变形后的变形曲面；
[0025] (3b)根据星载微带阵列天线结构热变形对应的面方程，在MATLAB软件中计算每 个微带天线单元在贴片长度L和宽度W方向的结构变形量（AL_AWJ;
[0026] 其中A1^表示微带天线单元自身结构长度的变化量，AWmn表示微带天线单元自 身结构宽度的变化量，m为0?M-1之间的自然数，n为0?N-1之间的自然数，m表示在 MXN个微带天线单元组成的微带阵列天线中微带天线单元的行数，n表示在MXN个微带天 线单元组成的微带阵列天线中微带天线单元的列数；
[0027] (3c)根据星载微带阵列天线在热载荷环境下的阵面热变形，在MATLAB软件中 计算微带天线单元中心节点在安装平面（x，y)方向和安装平面法向（z)的位置偏移量 (八x^，Aymn，Azmn);
[0028] (3d)根据星载微带阵列天线在热载荷环境下的阵面热变形，在MATLAB软件中计 算星载微带阵列天线中微带天线单元在（9,巾）方向的指向偏转量