带有频选天线罩的大型相控阵天线辐射特性分析方法与流程

本发明涉及电磁兼容技术，尤其涉及一种带有频选天线罩的大型相控阵天线辐射特性分析方法。

背景技术：

频选天线罩因具有改善相控阵雷达隐身性的特点，而被越来越多应用到对隐身性要求高的舰船、飞机等平台中，但频选天线罩会对相控阵雷达天线的增益、波束扫描角等产生影响，所以需要对频选天线罩与相控阵雷达天线的一体化辐射特性进行仿真分析与优化设计。

目前，关于频选天线罩与天线的一体化辐射特性分析方法上，更多的是关注频选天线罩自身的电特性分析，而对频选天线罩与天线的一体化辐射特性分析方法关注较少，其中对频选天线罩自身的电特性分析方法方面，主要采用矩量法(mom)、有限元(fem)等全波方法对频选天线罩的频选单元电特性进行分析；以及采用几何光学(go)、物理光学(po)等高频方法，分析有限大小的频选天线罩的电特性。对频选天线罩与天线的一体化辐射特性分析方法方面，则更多采用矩量法(mom)、有限元(fem)等全波方法对几十个阵元级的阵列天线与频选天线罩进行一体化辐射特性进行分析，该方法无法对大型相控阵天线与频选天线罩进行一体化辐射特性分析。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种带有频选天线罩的大型相控阵天线辐射特性分析方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带有频选天线罩的大型相控阵天线辐射特性分析方法，包括以下步骤：

1)确定带频选天线罩的相控阵天线子阵规模

计算带有频选天线罩的相控阵阵元辐射特性时，对于相控阵天线子阵，选择以阵元为中心2λ×2λ子阵大小，对于频选天线罩子阵，选择阵元投影到频选天线罩处为中心的4λ×4λ大小的频选结构；

2)对子阵进行辐射特性分析

采用有限元法对4λ×4λ大小的频选天线罩结构与2λ×2λ相控阵天线子阵进行一体化分析，获得子阵阵元的辐射特性；

具体如下：

用三维直角坐标系表示阵元的远场辐射特性，对采用单位功率激励的阵元远场辐射特性，观察点位置向量为为观察点方向的单位向量，对方向的观察点，为常量，通过有限元法对阵元的辐射特性进行分析获得；

其中，a为与阵元形式有关的比例系数，θ和为观察点相对阵元的球坐标分量，fx、fy和fz为的直角坐标分量，分别为阵元远场辐射方向图在x、y和z方向的分量，这些分量为复数，同时包含幅度和相位信息；

3)根据各子阵的激励幅度和相位进行矢量合成，获得带有频选天线罩的相控阵天线辐射特性；

假设相控阵天线的阵元分布在直角坐标系的xy面上，相控阵天线的阵中心位于xy面原点处，相控阵天线的辐射波束指向为该指向对应的单位向量为相控阵天线第i个阵元的激励相位δi与辐射波束指向的关系如下：

式中为第i个阵元位置的矢径。

对应的直角坐标系量为(x0,y0,z0),对应的直角坐标系量为(xi,yi,0)。

将式(6)带入式(7)，可得相控阵天线第i个阵元的激励相位δi与辐射波束指向关系为：

考虑相控阵天线阵元的激励幅度和相位信息后，第i个阵元的辐射特性在x、y和z方向分量可表示为：

式中，p为阵元的激励信号幅度，fx、fy和fz为考虑频选天线罩和相控阵天线阵元间耦合影响的阵元辐射特性；

带有频选天线罩的相控阵天线辐射特性可由上述各个阵元辐射特性矢量叠加而得，其辐射特性可表示为：

其中，n为相控阵天线的阵元数。

本发明产生的有益效果是：

1)本发明方法可精确求解带有频选天线罩的大型相控阵天线辐射特性。本发明基于子阵分解的思想，采用全波方法精确考虑了相控阵天线阵元间的耦合，以及相控阵天线与频选天线罩之间的耦合；

2)本发明方法适用性好，本发明从理论上可求解任意规模的带有频选天线罩的大型相控阵天线辐射特性，且求解对硬件计算资源要求低,而传统方法只能分析数百阵元规模的带有频选天线罩的相控阵天线辐射特性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的阵列天线子阵与频选天线罩子结构的结构示意图；

图2是本发明实施例的阵列天线与频选结构影响下的阵元辐射特性示意图；

图3是本发明实施例的带有频选天线罩大型相控阵天线阵元等幅同相激励的辐射特性示意图；

图4是本发明实施例的带有频选天线罩大型相控阵天线阵元等幅相差100°激励的辐射特性示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种带有频选天线罩的大型相控阵天线辐射特性分析方法，包括以下步骤：

(1)带频选天线罩的相控阵天线子阵规模选择

相控阵天线的近场作用于频选天线罩，在频选天线罩表面激发新的表面电流，进而辐射形成相控阵天线辐射方向图。因此，相控阵天线与频选天线罩的一体化辐射特性是两者相互作用的结果。相控阵天线是天线阵元按照周期性排布生成，频选天线罩也是由频选单元按照周期性排布生成，且两者均属于无源结构，天线阵元的辐射特性仅受周围有限尺寸内结构影响。因此，在计算带有频选天线罩的相控阵阵元辐射特性时，可采用子阵分解的方法，对于相控阵天线子阵的选择，考虑到阵元一般只受周围两个阵元范围内结构的影响，更远结构的影响则可忽略，因此选择以阵元为中心2λ×2λ子阵大小；对于频选天线罩子阵的选择，因与相控阵天线阵元存在一定距离，因此选择阵元投影到频选天线罩处为中心的4λ×4λ大小的频选结构。

(2)子阵辐射特性分析

采用有限元法对4λ×4λ大小的频选天线罩结构与2λ×2λ相控阵天线子阵进行一体化分析，获得子阵阵元的辐射特性。有限元法采用四面体网格可灵活性处理由任意介质构成的复杂目标，将计算对象离散成子域，再通过含有未知系数的插值函数对子域中未知函数进行表示，通过变分原理得到矩阵方程，求解得到原始问题的数值解，因此有限元法能够比较准确的计算子阵阵元的辐射特性。

为便于阵元辐射特性的叠加，用三维直角坐标系表示阵元的远场辐射特性，对采用单位功率激励的阵元远场辐射特性，观察点位置向量为为观察点方向的单位向量。对方向的观察点，为常量，通过有限元法对阵元的辐射特性进行分析获得。

其中a为与阵元形式有关的比例系数，θ和为观察点相对阵元的球坐标分量，fx、fy和fz为的直角坐标分量，分别为阵元远场辐射方向图在x、y和z方向的分量，这些分量为复数，包含幅度和相位信息。

(3)根据各子阵的激励幅度和相位进行矢量合成

相控阵天线一般采用等幅激励，即每个阵元的激励信号的幅度相同，因此相控阵天线的辐射总功率确定后，相控阵天线每个阵元的激励信号的幅度就定了。相控阵天线阵元的激励相位与相控阵天线的辐射波束指向存在一定的关系，假设相控阵天线的阵元分布在直角坐标系的xy面上，相控阵天线的阵中心位于xy面原点处，相控阵天线的辐射波束指向为该指向对应的单位向量为相控阵天线第i个阵元的激励相位δi与辐射波束指向的关系如下：

式中为第i个阵元位置的矢径。

对应的直角坐标系量为(x0,y0,z0),对应的直角坐标系量为(xi,yi,0)。

将式(6)带入式(7)，可得相控阵天线第i个阵元的激励相位δi与辐射波束指向关系为：

考虑相控阵天线阵元的激励幅度和相位信息后，第i个阵元的辐射特性在x、y和z方向分量可表示为：

式中p为阵元的激励信号幅度，fx、fy和fz为考虑频选天线罩和相控阵天线阵元间耦合影响的阵元辐射特性。

带有频选天线罩的相控阵天线辐射特性可由上述各个阵元辐射特性矢量叠加而得，其辐射特性可表示为：

其中n为相控阵天线的阵元数。

按照上述步骤对带有频选天线罩的大型相控阵天线辐射特性进行计算，该相控阵天线具有3600个阵元，阵元选择宽带印刷对称阵子，频选天线罩具有4096个单元，频选单元选择y型结构。图1为分解的阵列天线子阵与频选天线罩子结构；其中，(a)为俯视图，(b)为仰视图，(c)为侧视图；图2为对图1中的阵列天线子阵与频选结构进行一体化仿真，提取的阵元在频选天线罩影响下的辐射特性；，其中，图2(a)、图2(b)、图2(c)分别为阵元辐射特性x分量、y分量和z分量的幅度和相位；图3为带有频选天线罩大型相控阵天线阵元等幅同相激励的辐射特性(最大辐射方向在0度)；图4为带有频选天线罩大型相控阵天线阵元等幅相差100°激励的辐射特性(最大辐射方向-30.7°)。

本发明将带有频选天线罩的大型相控阵天线辐射特性求解难题，转化为多个易于求解的子阵辐射特性问题；子阵辐射特性问题采用全波求解方法，具有较高的计算精度；最后，将各个子阵辐射特性进行矢量合成，获得带有频选天线罩的大型相控阵天线辐射特性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。