一种基于机电耦合的变形阵列天线散射性能分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于机电耦合的变形阵列天线散射性能分析方法，包括：确定阵列天线的几何模型参数、材料属性和电磁工作参数；建立天线有限元模型；确定有限元模型的约束条件与随机振动载荷、重力载荷和热载荷环境，计算在约束和载荷环境下阵列天线的阵面变形，提取该条件下天线有限元模型天线中心节点的位置偏移量；累加得到天线总的位置偏移量；计算阵面内相邻两天线单元散射场空间相位差，得到口面相位差；计算天线单元散射方向图；计算阵列天线散射场方向图；分析载荷环境下的阵列结构变形对天线散射性能的影响。方法用于定量评价载荷环境下阵面结构变形对阵列天线散射性能的影响，指导阵列天线结构设计、散热设计和散射性能仿真分析和评估。
【专利说明】一种基于机电耦合的变形阵列天线散射性能分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于天线【技术领域】，具体涉及阵列天线散射性能的预测方法。本发明可用于评价载荷环境下阵面变形所引起的天线单元位置偏移对于阵列天线散射性能的影响，指导阵列天线的结构设计、散热设计和散射性能的仿真分析和评估。
【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，是有效地辐射和接受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辐射特性，尤其是可以形成指向某部分空间的比单元天线强得多的辐射，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]在以现代高新技术为背景的电子战中，为了迫使敌方电子探测系统和武器平台战斗效力降低，从而提高我方军事力量的突防能力和生存能力，就必须提高我方战斗平台的隐身能力，即控制和降低军用系统的雷达散射面积(Radar Cross Sect1n, RCS)。天线的散射场包括结构模式项散射和天线模式项散射两部分，它们的相对叠加构成了其总的RCS。通常，要解析确定结构模式项散射场、天线模式项散射场以及两者之间的相位差是十分困难的。并且，阵列天线的散射场是阵中所有天线单元散射场共同贡献的结果，同时，由于机械加工设备精度和装配精度限制，以及受到振动、热功耗等环境载荷的影响，阵列天线单元位置会偏离理想设计位置，导致阵列天线的散射场发生变化，因此阵列天线单元位置的偏移对于散射性能的影响急需计算方法和评价手段。
[0004]目前，国内外学者在计算阵列天线散射性能时通常数值计算方法，如在TanakaTj Nish1ka Y，Inasawa Y，et al.MoM analysis of radiat1n and scattering of broadbandarray antenna.Proceedings of2013URSI Internat1nal Symposium on ElectromagneticTheory, 2013中采用矩量法计算锥形缝隙阵列天线的辐射和散射性能，此方法虽然可计算出阵列天线的RCS，但是计算过程复杂，并且对于规模较大的阵列天线散射场的计算需要更长的计算时间和更大的存储空间。为此，对于阵列天线散射场的计算涌现出许多近似计算方法，如在 Lu B, Gong S X, et al.0ptimum spatial arrangement of array elements forsuppress1n of grating-lobes of radar cross sect1n.1EEE Antennas and WirelessPropagat1n Letters, VOL.9, 2010中，在不考虑互f禹和边缘效应的基础上推导出简化的阵列天线散射场RCS表达式，然后用阵列天线的阵列散射方向图函数的变化趋势来预估阵列天线散射场总的RCS的变化趋势，此方法虽然可以方便、快速的预估阵列天线散射场总的RCS的变化趋势，但无法通过此方法预估和计算天线单元偏移对阵列天线散射场的影响。天线单元位置偏移对于阵列天线电性能的影响国内外学者也做了大量的研究，如 在 Wang Cong-si, Duan Bao-yan, Zhang Fu-shun, et al.Analysis of performance ofactive phased array antenna with distorted plane error.1nternat1nal Journal ofElectronics, VOL.96, N0.5，2009中根据天线单元间的相位误差分析,建立了福射场机电率禹合模型，此模型只能用于计算天线单元偏移对辐射场性能的影响，无法计算天线单元位置偏移量对散射性能的影响。
[0005]因此，对于阵列天线有必要建立其结构位移场与电磁散射场之间耦合关系的机电耦合模型，分析并计算阵列天线在随机振动载荷、重力载荷、热载荷环境下产生的阵面变形所引起的天线单元位置偏移对阵列天线散射性能的影响。
【发明内容】
[0006]基于上述问题，本发明建立的阵列天线结构位移场和电磁散射场之间的机电耦合模型，可以实现阵列天线散射场的结构与电磁耦合分析，可用于定量评价载荷环境下阵面结构变形对阵列天线散射性能的影响，从而指导阵列天线的结构设计、散热设计和散射性能的仿真分析和评估。
[0007]实现本发明目的的技术解决方案是，确定阵列天线的几何模型参数、材料属性和电磁工作参数；建立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随机振动载荷、重力载荷和热载荷环境，计算在约束和载荷环境下阵列天线的阵面变形，分别提取载荷环境下阵列天线有限元模型中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；累加得到阵列天线中每个天线单元总的位置偏移量；计算阵面内相邻两天线单元在观察点处的散射场空间相位差，得到阵列天线散射场的口面相位误差；计算阵列天线单元散射方向图；结合阵列天线散射场口面相位误差和单元散射方向图，计算阵列天线散射场方向图；根据散射场方向图计算阵列天线雷达散射截面，分析载荷环境下的阵列结构变形对天线散射性能的影响。
[0008]本发明是通过以下述技术方案实现的:
[0009]基于机电耦合的变形阵列天线散射性能分析方法，包括如下步骤:
[0010](I)根据等间距矩形栅格排列的平面阵列天线的基本结构，确定阵列天线的几何模型参数、材料属性和电磁工作参数；
[0011](2)根据阵列天线的几何模型参数和材料属性在ANSYS软件中建立阵列天线的结构有限元模型；
[0012](3)根据阵列天线的安装形式确定阵列天线有限元模型的约束，分别在阵列天线的结构有限元模型上加载随机振动载荷、重力载荷和热载荷；分别计算阵列天线在随机振动载荷下的随机振动变形、在重力载荷下阵面重力变形和在热载荷下的阵面热变形；
[0013]分别提取载荷环境下有限元模型中每个天线单元中心节点在安装平面内(X，y方向)和安装平面法向(ζ方向)的位置偏移量；累加随机振动载荷、重力载荷和热载荷下阵列天线中每个天线单元在X，1，ζ方向的位置偏移量，得到阵列天线中每个天线单元分别在X，y，ζ方向总的位置偏移量；
[0014](4)根据阵列天线有限元模型中天线单元总的位置偏移量，计算阵中相邻两天线单元在观察点处的散射场空间相位差，进而得到阵列天线散射场的口面相位误差；
[0015](5)根据阵列天线的几何模型参数和电磁工作参数计算单元散射方向图；
[0016](6)结合阵列天线散射场的口面相位误差和单元散射方向图，计算阵列天线散射场方向图；
[0017](7)根据阵列天线散射场方向图计算阵列天线雷达散射截面，分析载荷环境下的阵列结构变形对阵列天线散射性能的影响。
[0018]优选地，步骤(1)中阵列天线的几何模型参数，包括天线口径、阵面内天线单元的行数、列数和单元间距。
[0019]优选地，步骤(1)中阵列天线系统的材料属性包括冷板、T/R组件、阵面框架、安装支架及天线单元的材料属性，包括密度、弹性模量、泊松比以及热膨胀系数。
[0020]优选地，步骤(1)中阵列天线的电磁工作参数，包括该阵列天线的天线单元形式、中心工作频率、工作波长和雷达照射该天线的探测波频率、探测波波长。
[0021]优选地，步骤(3)中，得到阵列天线中每个天线单元分别在x，y，z方向总的位置偏移量通过下述步骤实现:
[0022](3a)设阵列天线共有MXN个天线单元按照等间距矩形栅格排列，M和N分别为阵列天线安装平面内横向(X方向)和安装平面内纵向(y方向)的天线单元个数；
[0023](3b)设阵列天线阵中第(m，n)个天线单元,随机振动载荷在x, y, ζ方向的位置偏
移量为
[0024](3c)设阵列天线阵中第(m，n)个天线单元，重力载荷在x，y，ζ方向的位置偏移量为(Axg ,Δν^ ,(Szg );
y mn， ^ mn， mn J ,
[0025](3d)设阵列天线阵中第(m，n)个天线单元，热载荷在x，y，ζ方向的位置偏移量为(lsxh ^Ayh ylSzh );
K mn, , mn， mn J 1
[0026](3e)阵列天线在随机振动载荷、重力载荷和热载荷环境下天线单元位置发生的偏移量为三种载荷产生的位置偏移量的总和，即得到载荷环境下阵列天线中第(m，n)个天线
单元在X，y, ζ方向上的总的位置偏移量。
[0027]优选地，所述步骤(4)中，得到阵列天线散射场的口面的相位误差通过下述步骤实现:
[0028](4a)设阵列天线共有MXN个天线单元按照等间矩形距栅格排列，阵面X方向单元
间距和I方向单元间距分别为dx和dy ;观察点P相对于坐标系Ο-xyz所在的方向(久沪)以
方向余弦表示为(cos yx, COS Yy, COS Y z),则得到观察点P相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系；
[0029](4b)等间距矩形栅格排列阵列天线的MXN个天线单元中，第(m，η)个天线单元的设计坐标为(m.dx，n.dy, O),设由于随机振动载荷、重力载荷、热载荷,第(m, η)个天线单
元在x，y，z方向上总的位置偏移量为第(0，0)个天线单元在x，y，z方向上总的位置偏移量为，Α^οο，^z1).，
[0030]对于散射场，探测波照射到天线单元上经历一个波程，探测波在天线单元表面的感应电流产生的二次辐射再经历一个波程后重新辐射回远区观察点；则得到阵列天线中第(m，n)个天线单元相对于第(0，0)个天线单元的散射场相位误差；
[0031](4c)将每个天线单元相对于参考单元的散射场相位差，按照天线单元位置编号的顺序分别存储成矩阵的形式，该矩阵即表示阵列天线散射场的口面的相位误差。
[0032]优选地，所述步骤(6)中，计算阵列天线散射场方向图通过下述步骤实现:
[0033](6a)忽略阵列天线的阵列边缘效应以及天线单元之间的互耦，阵列天线散射场方向图表达式进行简化；
[0034]根据阵列天线散射场方向图，由步骤(4b)得到的阵列天线散射场相位差Λ Ψωη,得到天线散射场机电耦合模型，即变形阵列天线的散射场方向图函数；
[0035](6b)累加求和计算天线散射场内每个点(久炉)的散射强度值；改变数值，
重复计算过程，则得到阵列天线在其工作空域范围内，所有点的散射强度值，取对数并绘制得到散射场远区方向图。
[0036]优选地，所述步骤(7)中，分析载荷环境下的阵列结构变形对阵列天线散射性能的影响通过下述步骤实现:
[0037](7a)根据阵列天线散射场方向图计算阵列天线RCS值，并得到包括RCS的主瓣、主瓣指向、散射峰值、最大副瓣的阵列天线散射性能参数；
[0038](7b)相对于理想环境下的阵列天线散射性能，计算随机振动载荷、重力载荷、热载荷环境下的阵列天线散射性能的变化量，分析载荷环境下阵列结构变形对阵列天线散射性能的影响。
[0039]本发明与现有技术相比，具有以下特点:
[0040]1.本发明基于阵列天线单元的相位误差分析，建立了阵列天线的结构位移场和电磁散射场之间耦合关系的机电耦合模型，可研究阵列天线在随机振动载荷、重力载荷、热载荷环境下产生的阵面变形所引起的天线单元位置偏移对于阵列天线散射性能的影响，解决了传统计算方法中阵列天线散射场计算复杂、载荷环境下的天线单元位置偏移对阵列天线散射性能的影响难以估计和计算的问题。
[0041]2.通过将散射场机电耦合模型分析的载荷环境下阵列天线散射性能参数与理想环境下的阵列天线散射性能参数对比，可以判断阵列天线结构设计方案、散热方案的合理性及其对散射性能的影响，避免了凭经验进行阵列天线设计带来的天线性能不稳定问题，可以缩短阵列天线的研制周期，降低阵列天线的研制成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1是本发明一种基于机电耦合的变形阵列天线散射性能分析方法的流程图。
[0043]图2是等间距矩形栅格平面阵列天线的单元排列示意图。
[0044]图3是在ANSYS软件中建立的阵列天线结构有限元模型。
[0045]图4是阵列天线中天线单元相对于观察点的空间几何关系图。
[0046]图5是阵列天线的天线单元示意图。
[0047]图6是ANSYS软件中阵列天线的网格模型。
[0048]图7是阵列天线模型的约束位置示意图。
[0049]图8是阵列天线随机振动加速度功率谱。
[0050]图9是阵列天线的随机振动变形云图。
[0051]图10是阵列天线的重力变形云图。[0052]图11是阵列天线的热变形云图。
[0053]图12是理想环境和载荷环境下阵列天线的RCS方向图比较图。
【具体实施方式】
[0054]下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0055]参照图1所示，本发明一种基于机电耦合的变形阵列天线散射性能分析方法，具体步骤如下:
[0056]步骤1，确定阵列天线的几何模型参数、材料属性和电磁工作参数。
[0057]1.1.由阵列天线的阵面形状、尺寸、天线单元类型确定阵列天线结构有限元模型，获取阵列天线的结构参数，其中包括天线口径，即阵面内(x，y方向)长度Lx和宽度Ly、x，y方向天线单元的行数Μ、列数N和天线单元在x、y方向上的间距dx，dx，如图2所示；
[0058]1.2.确定阵列天线系统的材料属性包括冷板、T/R组件、阵面框架、安装支架以及天线单元的材料属性，包括密度P、弹性模量E、泊松比μ以及热膨胀系数α ;
[0059]1.3.确定阵列天线的电磁工作参数，其中包括天线的中心工作频率f与波长入，以及雷达照射该天线的探测波频率fo与探测波波长入。。
[0060]步骤2，在ANSYS中建立结构有限元模型；
[0061]根据阵列天线的几何模型参数在ANSYS中构建其有限元模型，冷板以及T/R组件的结构单元类型为实体单元S0LID92，天线单元以及阵面框架的结构单元类型为面单元SHELL63，并按照步骤2中的材料属性设置阵列天线的有限元模型的材料属性。其中，冷板与阵面框架之间、阵面框架和安装支架、冷板与T/R组件之间、T/R组件与天线单元之间相互连接，之间没有相对位移(见图3所示)。
[0062]步骤3，施加约束和载荷，得到变形量；
[0063]3.1.根据安装支架相对于阵面框架的位置，确定其约束条件和约束位置；设阵列天线共有MXN个天线单元按照等间距矩形栅格排列，M和N分别为阵列天线安装平面内横向(X方向)和安装平面内纵向(y方向)的天线单元个数；
[0064]3.2.根据步骤2建立的结构有限元模型和步骤3.1确定的约束条件，对阵面施加随机振动功率谱，得到阵面的随机振动变形，提取由于随机振动变形引起的天线单元位置发生的偏移量。其中，阵列天线中第(m，n)个天线单元在x，y，ζ方向上的位置偏移量为
【权利要求】
1.一种基于机电耦合的变形阵列天线散射性能分析方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: (1)根据等间距矩形栅格排列的平面阵列天线的基本结构，确定阵列天线的几何模型参数、材料属性和电磁工作参数； (2)根据阵列天线的几何模型参数和材料属性在ANSYS软件中建立阵列天线的结构有限元模型； (3)根据阵列天线的安装形式确定阵列天线有限元模型的约束，分别在阵列天线的结构有限元模型上加载随机振动载荷、重力载荷和热载荷；分别计算阵列天线在随机振动载荷下的随机振动变形、在重力载荷下阵面重力变形和在热载荷下的阵面热变形； 分别提取载荷环境下有限元模型中每个天线单元中心节点在安装平面内(X，y方向)和安装平面法向(ζ方向)的位置偏移量；累加随机振动载荷、重力载荷和热载荷下阵列天线中每个天线单元在X，y，ζ方向的位置偏移量，得到阵列天线中每个天线单元分别在X，y，ζ方向总的位置偏移量； (4)根据阵列天线有限元模型中天线单元总的位置偏移量，计算阵中相邻两天线单元在观察点处的散射场空间相位差，进而得到阵列天线散射场的口面相位误差； (5)根据阵列天线的几何模型参数和电磁工作参数计算单元散射方向图； (6)结合阵列天线散射场的口面相位误差和单元散射方向图，计算阵列天线散射场方向图； (7)根据阵列天线散射场方向图计算阵列天线雷达散射截面，分析载荷环境下的阵列结构变形对阵列天线散射性能的影响。
2.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散射性能分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中阵列天线的几何模型参数，包括天线口径、阵面内天线单元的行数、列数和单元间距。
3.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散射性能分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中阵列天线系统的材料属性包括冷板、T/R组件、阵面框架、安装支架及天线单元的材料属性，包括密度、弹性模量、泊松比以及热膨胀系数。
4.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散射性能分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中阵列天线的电磁工作参数，包括该阵列天线的天线单元形式、中心工作频率、工作波长和雷达照射该天线的探测波频率、探测波波长。
5.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散射性能分析方法，其特征在于，所述步骤(3)中，得到阵列天线中每个天线单元分别在x，y，z方向总的位置偏移量通过下述步骤实现: (3a)设阵列天线共有MXN个天线单元按照等间距矩形栅格排列，M和N分别为阵列天线安装平面内横向(X方向)和安装平面内纵向(y方向)的天线单元个数； (3b)设阵列天线阵中第(m，n)个天线单元，随机振动载荷在x，y，z方向的位置偏移量为(Axv ,Avr ,Azr )； (3c)设阵列天线阵中第(m，n)个天线单元，重力载荷在X，y，ζ方向的位置偏移量为
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散射性能分析方法，其特征在于，所述步骤(4)中，得到阵列天线散射场的口面的相位误差通过下述步骤实现: (4a)设阵列天线共有MXN个天线单元按照等间矩形距栅格排列，阵面X方向单元间距和y方向单元间距分别为dx和dy ;观察点P相对于坐标系Ο-xyz所在的方向(民P)以方向余弦表示为(cos Yx, COS Yy, COS Y z),则得到观察点P相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系为:
7.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散射性能分析方法，其特征在于，所述步骤(6)中，计算阵列天线散射场方向图通过下述步骤实现: (6a)忽略阵列天线的阵列边缘效应以及天线单元之间的互耦，阵列天线散射场方向图表达式则简化为:
8.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散射性能分析方法，其特征在于，所述步骤(7)中，分析载荷环境下的阵列结构变形对阵列天线散射性能的影响，通过下述步骤实现: (7a)根据阵列天线散射场方向图计算阵列天线RCS值，并得到包括RCS的主瓣、主瓣指向、散射峰值、最大副瓣的阵列天线散射性能参数；(7b)相对于理想环境下的阵列天线散射性能，计算随机振动载荷、重力载荷、热载荷环境下的阵列天线散射性能的变化量，分析载荷环境下阵列结构变形对阵列天线散射性能的影响。
【文档编号】H04B17/00GK104038295SQ201410249973
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】王从思, 王伟锋, 余涛, 康明魁, 保宏, 孟娟, 陈光达, 米建伟, 王猛 申请人:西安电子科技大学