專利名稱：一種振動變形對陣列天線電性能影響的預測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及天線技術領域，具體是一種振動變形對陣列天線電性能影響的預測方法。
背景技術：
陣列天線技術是近年來正在發(fā)展的最新技術。陣列天線是通過控制陣列天線中輻射單元的饋電相位來改變方向圖形狀的天線?？刂葡辔豢梢愿淖兲炀€方向圖最大值的指 向，以達到波束掃描的目的。在特殊情況下，也可以控制副瓣電平、最小值位置和整個方向圖的形狀。用機械方法旋轉天線時，慣性大、速度慢，陣列天線克服了這一缺點，波束的掃描速度高。作為陣列天線中最為先進的有源相控陣天線，就具有陣列天線這一突出的特點。它的饋電相位一般用電子計算機控制，相位變化速度快(毫秒量級)，即天線方向圖最大值指向或其他參數的變化迅速。以相掃替代機掃是有源相控陣天線的最大特點，這種無慣性的波束掃描，賦予有源相控陣天線許多卓越特性。在機載陣列天線實際工作時，由于飛機平臺運動導致天線發(fā)生隨機振動，進而引起陣面結構發(fā)生變形，最終必然導致天線電性能發(fā)生變化。在現(xiàn)有的研究中，機械方面主要集中在隨機振動對天線結構力學性能影響的研究，而計算隨機誤差對天線電性能影響時，大多數學者認為天線的隨機誤差服從某種概率分布，并不能真實反應天線結構受隨機振動影響所產生的誤差。因此，有必要根據天線電性能的指標要求準確地提出對天線結構設計的要求以克服隨機振動的影響。在進行陣列天線隨機振動分析之后，掌握天線結構隨機振動對天線電性能的影響。通過建立陣列天線結構設計與電磁設計之間相互影響、相互制約的關系，利用機電耦合方法來預測在機載振動影響下的各種結構方案下的天線電性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種振動變形對陣列天線電性能影響的預測方法，該方法通過建立陣列天線的機電耦合模型，掌握陣列天線結構隨機振動對陣列天線電性能的影響，以實現(xiàn)基于陣列天線機電兩場耦合的電性能預測，用以指導其結構設計。本發(fā)明是通過以下述技術方案來實現(xiàn)的振動變形對陣列天線電性能影響的預測方法，該方法包括下述步驟I)根據陣列天線的結構參數以及材料屬性，確定陣列天線的幾何模型參數；2)在ANSYS中構建陣列天線的結構有限元模型；3)給定陣列天線結構有限元模型的約束條件和機載隨機振動加速度功率譜，計算陣列天線隨機振動變形量，分別提取陣列天線有限元模型的各個輻射單元中心節(jié)點在X, y, z方向上的位置偏移量；4)根據陣列天線有限元模型輻射單元中心節(jié)點位置偏移量，利用機電耦合模型，得到陣列天線方向圖函數，并繪制陣列天線方向5)根據陣列天線的電性能指標要求，判斷計算出的陣列天線電性能是否滿足要求，如果滿足要求，則陣列天線結構設計合格；否則，修改陣列天線的結構參數，并重復步驟I)到步驟4)，直至滿足要求。所述步驟I)陣列天線的結構參數包括冷板、輻射單元、T/R組件以及陣面框架的參數。所述步驟I)陣列天線的材料屬性包括彈性模量、泊松比以及密度。所述步驟3)陣列天線有限元模型的各個福射單元中心節(jié)點在X，y, z方向上的位置偏移量為(Axc^Ayci tl, Δζ0,0)……(Λ χ_ Λ y_ Λ zmn)，其中MXN個各個輻射單元按等間距矩形柵格陣排列，m為O M-I之間的自然數，代表陣列天線M列輻射單元的編號，η為O N-I之間的自然數，代表陣列天線N行輻射單元的編號。 所述步驟4)中計算陣列天線方向圖函數按照下式進行4a)設陣列天線共有MXN個輻射單元按等間距矩形柵格陣排列，單元間橫向和縱向的間距分別為dx與dy ;觀察點P相對于直角坐標系xyz所在的方向(A以方向余弦表
示為(cos α χ, cos a y, cos a z)，由此得到觀察點P相對于坐標軸的夾角與方向余弦的關系
Icosorv = sin (9 cosr/
ICosor1. =Sin^Sinii cosa, = cos Θ4b)令按等間距矩形柵格陣排列的MXN個輻射單元中第(m，η)輻射單元在x，y, z方向上的位置偏移量為(Λχ_ Aynm, AZJ，第(0，0)輻射單元在x，y，z方向上的位置偏移量為(Axci^ Ay0j0, Λ Z(l, J，則第(m，n)輻射單元相對第(0，O)輻射單元的相位差Λ Φωη為Δ φ (mdx+ Δ χ - Δ χ。，。)cos a x+k (ndy+ Δ Δ y。,。)cos a y+k(Aznm-Az0；0)cosa ζ+βηιη
fJ W式中，A=·+為陣列天線的波常數，λ為陣列天線的工作波長，是第(m，n)輻
A
射單元的陣內相位差；4c)根據陣列天線疊加原理，由4b)得到陣列天線方向圖函數為
M-IN-IM-IN-XI P
五(沒，爐)=Σ Σ Ee1 訓 exp jM>mn = YdYuEJnwQi^ljk /w<T+ Arwm-Ar00 cos a,
m=Q n=Qm=0 n=0I L+ {fidy + Ay圓-Ay00) cos ay + (.Azmn — Az00) cos az + }βηη J式中，Ee為天線單元的方向圖函數，Inm是單元激勵電流。所述步驟4)繪制陣列天線方向圖，從陣列天線方向圖得到天線增益、E面副瓣電平、E面半功率波瓣寬度和E面波束指向偏移量，以及H面副瓣電平、H面半功率波瓣寬度和H面波束指向偏移量。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下特點
I.利用陣列天線的結構有限元模型進行有限元分析，確定陣列天線隨機振動所導致的位置偏移量，進而實現(xiàn)對陣列天線電性能的預測。傳統(tǒng)方法只能根據隨機振動的加速度功率譜分析陣列天線的結構強度是否滿足不被破壞的要求，無法根據隨機振動引起的陣面變形誤差來確定陣列天線在工作狀態(tài)的電性能。相比傳統(tǒng)方法，本方法可以通過隨機振動所導致的位置偏移量實現(xiàn)對陣列天線的電性能的預測；2.該方法相比傳統(tǒng)方法過程更為簡捷，可以將所得到的隨機振動位置偏移量直接引入機電耦合模型，從而計算出陣列天線的電性能，不需要根據隨機振動位置偏移量的變化，重復對天線進行電磁建模以計算電性能；3.通過研究陣列天線的機電耦合問題，分析隨機振動對天線工作性能的影響，可以找出其中主要結構因素并進行修正，不僅可以保障結構不被破壞，還可以在改善結構的
基礎上提高天線工作狀態(tài)下的電性能。


圖I是本發(fā)明陣列天線機電耦合分析流程圖。圖2是陣列天線輻射單元排列示意圖。圖3觀察點P相對于坐標系xyz的空間幾何關系圖。圖4是有源相控陣天線幾何模型圖。圖5是有源相控陣天線結構有限元模型圖。圖6有源相控陣天線隨機振動加速度功率譜。圖7有源相控陣天線隨機振動時間歷程樣本。圖8有源相控陣天線結構變形云圖。圖9 (a)半波陣子E面方向圖。圖9 (b)半波陣子H面方向圖。圖10 (a) E面變形前后的有源相控陣天線電性能比較圖。圖10 (b) H面變形前后的有源相控陣天線電性能比較圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。參照圖I所示，本發(fā)明振動變形對陣列天線電性能影響的預測方法，步驟如下步驟一，確定陣列天線的幾何模型文件根據陣列天線的結構參數以及材料屬性，確定陣列天線的幾何模型參數，其中，陣列天線的結構參數包括冷板、輻射單元、T/R組件以及陣面框架的參數，陣列天線的材料屬性包括彈性模量、泊松比以及密度。步驟二，在ANSYS中構建其有限元模型在ANSYS中構建其有限元模型，冷板以及T/R組件的結構單元類型為實體單元S0LID45，輻射單元以及陣面框架的結構單元類型為面單元SHELL63。其中，冷板與陣面框架之間、冷板與T/R組件之間、T/R組件與輻射單元之間相互連接，之間沒有相對位移。步驟三，提取陣列天線有限元模型輻射單元中心節(jié)點位移量根據給定陣列天線結構有限元模型約束條件和機載隨機振動加速度功率譜，應用諧波疊加法，將機載隨機振動加速度功率譜轉換成L個載荷步，最終獲得隨機振動時間歷程樣本。其中，L為大于10的自然數。通過ANSYS并利用隨機振動時間歷程樣本計算陣列天線隨機振動變形量，分別提取陣列天線有限元模型的各個輻射單元幾何中心節(jié)點在X，y, z方向上的位置偏移量(Λχ。,。，Ay0j0, Δζ；0)……(Λχ_ Aymn, Λ z J，其中m為O M_1之間的自然數，代表陣列天線M列輻射單元的編號；n為O N-I之間的自然數，代表陣列天線N行輻射單元的編號。步驟四，計算陣列天線的方向圖函數根據陣列天線有限元模型輻射單元幾何中心節(jié)點位移量，利用機電耦合模型，計算陣列天線方向圖函數。計算陣列天線的電性能按照下式進行 4a)設陣列天線共有MXN個輻射單元按等間距矩形柵格陣排列，單元間橫向和縱向的間距分別為dx與dy，如圖2所示；觀察點P相對于直角坐標系xyz所在的方向(武爐)以方向余弦表示為(cos a x, cos a y, cos a z),如圖3所示；由此得到觀察點P相對于坐標軸的
夾角與方向余弦的關系
Cosorv = sin 0 cos 爐cos ,. =sin沒siru/ ；cos : =COS04b)令按等間距矩形柵格陣排列的MXN個輻射單元中第(m，n)單元在x，y，z方向上的位置偏移量為(Axmn, Aymn, AzJ，第(0,0)單元在X，y, z方向上的位置偏移量為(Δχ0,0, Ay0j0, Λ Z0,0)，則第(m, η)單元相對第(0,0)單元的相位差Λ φπΙ^ :Αψηηι = k (mdx + Axmn — Ax00) cos ax + k (ndy + Aymn — Δ),0，0) cos av+ k ^Azmn - Az00)cos az + βηη式中，/<=#，為陣列天線的波常數，λ為陣列天線的工作波長，βπη是第(m，n)輻射單元的陣內相位差；4c)根據陣列天線疊加原理，由4b)得到陣列天線方向圖函數為
M-IiY-IM-IN-II P
ε_=ΣΣ EeImn expj'A4 = Σ Σ Hn exp # (mciv + Axmn -Ax0 0Jcosar
w=0κ=0w=0w=0V L+ [ndy + ^ymn — Ay0 0) cos av +(Azmn - Az0 0) cos a: + JPmn J式中，Ee為天線單元的方向圖函數，Inm是單元激勵電流。由此得到陣列天線的電性能，根據陣列天線方向圖函數繪制的陣列天線方向圖，得到陣列天線增益、E面最大副瓣電平、E面半功率波瓣寬度和E面波束指向偏移量，以及H面最大副瓣電平、H面半功率波瓣寬度和H面波束指向偏移量。其中，E面為陣列天線在極坐標(θ，φ)下Θ為0°、小取-90° 90°時的平面，H面為陣列天線在極坐標(Θ，φ)下φ為0°、0取-90° 90°時的平面。通過陣列天線E面方向圖可以看出，E面最大副瓣電平在圖中為天線第一副瓣的電平大小，E面半功率波瓣寬度在圖中為增益最大值下降3分貝時對應主瓣兩側的夾角范圍寬度，E面波束指向偏移量為天線主瓣方向與供=0°方向之間的距離；通過陣列天線H面方向圖可以看出，H面最大副瓣電平在圖中為天線第一副瓣的電平大小，H面半功率波瓣寬度在圖中為增益最大值下降3分貝時對應主瓣兩側的夾角范圍寬度，H面波束指向偏移量為天線主瓣方向與θ=0°方向之間的距離。步驟五，判斷是否滿足設計要求根據陣列天線的電性能指標要求，判斷計算出的陣列天線電性能是否滿足要求，如果滿足要求，則陣列天線結構設計合格；否則，修改陣列天線的結構參數，并重復步驟一 到步驟四，直至滿足要求。本發(fā)明可以通過仿真實驗進一步說明I.仿真有源相控陣天線參數為驗證機電耦合模型的正確性，將其應用在工作于X波段IOGHz的有源相控陣天線。有源相控陣天線的材料屬性如表I所示。表I有源相控陣天線的材料屬性
麗繼比 ^
GPakg/m'鋁合金700.32800
印制電路板140.31750輻射單元在xoy平面以等間距矩形柵格排列，取M=10，N=IO,共計100個輻射單元組成有源相控陣天線陣列；取有源相控陣天線工作波長λ =30mm,則dx=0. 5 λ =15mm,dy=0. 6 λ =18mm η2.計算有源相控陣天線的電性能有源相控陣天線的電性能可以通過以下四步得到I)確定有源相控陣天線的幾何模型文件根據有源相控陣天線的結構參數以及材料屬性，確定有源相控陣天線的幾何模型參數，有源相控陣天線的結構參數包括冷板、輻射單元、T/R組件以及陣面框架的參數，有源相控陣天線的材料屬性包括彈性模量、泊松比以及密度。有源相控陣天線的幾何模型如圖4所示。2)在ANSYS中構建有源相控陣天線有限元模型在ANSYS中構建的有限元模型，結構單元類型為實體單元S0LID45，輻射單元以及陣面框架的結構單元類型為SHELL63。其中，冷板與陣面框架之間、冷板與T/R組件之間、T/R組件與輻射單元之間相互連接，之間沒有相對位移。采用ANSYS軟件設定的自由網格對幾何模型進行劃分。有源相控陣天線有限元模型如圖5所示。3)提取有源相控陣天線有限元模型輻射單元幾何中心節(jié)點位移量根據給定有源相控陣天線有限元模型約束條件和機載隨機振動加速度功率譜，其中機載隨機振動加速度功率譜是根據有源相控陣天線實際工作環(huán)境得出的，如圖6所示，橫坐標為激勵信號的頻率范圍，從15Hz至2000Hz，縱坐標為加速度功率譜密度，其范圍為O. 003 O. 025g2/Hz，其中g為重力加速度。應用諧波疊加法，將機載隨機振動加速度功率譜轉換成100個載荷步，最終獲得隨機振動時間歷程樣本，有源相控陣天線隨機振動時間歷程樣本如圖7所示。由于有源相控陣天線結構振動激勵信號來自于飛機本身的振動環(huán)境，可在圖5天線結構有限元模型中，將隨機振動功率譜信號施加到天線結構的基座支耳位置處，并分別在X、Y和Z三個坐標方向上施加了機載隨機振動加速度功率譜。通過ANSYS軟件計算有源相控陣天線隨機振動變形量，繪制有源相控陣天線結構變形云圖，如圖8所示。分別提取有源相控陣天線有限元模型的各個輻射單元幾何中心節(jié)點在X，Y, ζ方向上的
位置偏移量(Δχ。，。，Ay0j0, Δ z0 0)......(Axmn, Δ y^，Δ zmn),其中MXN個各個福射單元按等
間距矩形柵格陣排列，m為O M-I之間的自然數，做為代表有源相控陣天線M列輻射單元的編號，η為O N-I之間的自然數，代表有源相控陣天線N行輻射單元的編號。4)計算有源相控陣天線的方向圖函數·
根據有源相控陣天線有限元模型輻射單元幾何中心節(jié)點位移量，利用機電耦合模型，計算有源相控陣天線的電性能。計算有源相控陣天線的電性能按照下式進行4a)設有源相控陣天線共有MXN個輻射單元按等間距矩形柵格陣排列，單元間橫向和縱向的間距分別為dx與dy。觀察點P相對于坐標系xyz所在的方向(久以方向余弦表示為(cos α χ, cos a y, cos a z)。由此得到觀察點P相對于坐標軸的夾角與方向余弦的關
系
Cosorv = sin 6 cos ^
COSCf1. =sinSsirip ； cos az = cos Θ4b)令按等間距矩形柵格陣排列的MXN個輻射單元中第(m，η)輻射單元在x，y, ζ方向上的位置偏移量為(Λ χ_ Λ y_ Δ zj，第(0，O)輻射單元在X，y, ζ方向上的位置偏移量為(Axci^ Ay0j0, Λ zj，則第(m，n)單元相對第(0，O)輻射單元的相位差Λ Φ·為Δ φ (mdx+ Δ χ - Δ χ。，。)cos a x+k (ndy+ Δ Δ y。,。)cos a y+k ( Aznin-A ζ0；0) cos α ζ+βηιη式中λ =￥，為陣列天線的波常數，λ為陣列天線的工作波長，βπη是第(m，n)
Λ
輻射單元的陣內相位差；4c)根據陣列天線疊加原理，由4b)得到陣列天線方向圖函數為
M-IN-IM-IN-I P
Ε(θ,φ) = Σ Σ H expi'A^,, = Σ Σ H k (mdx + Ar腳-Ajc00Jcosax
w=0 η=0m=() n=QI L+ (ndy + Aymn — Av00) cos a), +(Azmn - Az00) cos a, + ]β η J式中，Ee為天線輻射單元的方向圖函數，每個輻射單元的方向圖函數與半波陣子的方向圖函數相同，如圖9 (a)以及圖9 (b)所示；Imn是單元激勵電流，假設有源相控陣天線服從等幅同相分布，即有源相控陣天線各個輻射單元幅度相等，各個輻射單元之間的相位差為O，此處Imn取值為I, β·取值為O。由此得到有源相控陣天線的方向圖函數，根據有源相控陣天線的電性能繪制的天線方向圖，得到天線增益、E面最大副瓣電平、E面半功率波瓣寬度、E面波束指向偏移量以及H面最大副瓣電平、H面半功率波瓣寬度、H面波束指向偏移量。3.仿真結果利用以上五步得到有源相控陣天線的方向圖函數，比較結果如圖10(a)、圖10(b)和表2所示。其中圖10(a)虛線表示有源相控陣天線在有隨機振動變形時的天線E面方向圖，實線表示有源相控陣天線在理想情況下的天線E面方向圖；圖10 (b)表示有源相控陣天線在有隨機振動變形時的天線H面方向圖，實線表示有源相控陣天線在理想情況下的天線H面方向圖。從表2可以看出(I)天線增益損失明顯，達到了 O. 7139dB,降低百分比為·2.9059%。(2)主瓣變寬，E面變寬O. 1158deg，變寬百分比為I. 0192% ;H面變寬O. 4906deg,變寬百分比為4. 2136%。(3)副瓣電平整體抬高，E面最大副瓣電平抬高了 2. 8508dB，抬高百分比為15. 1554%，H面最大副瓣電平抬高了 1.0962dB，抬高比為5. 7286%。(4)波束指向發(fā)生偏移，這將導致雷達天線跟蹤能力的降低。表2理想情況和存在變形時的天線電性能結果
理想變形變化值
天線增益(dB) 24.567323.8534-0.7139
最大副瓣電平(dB) -18.8104-15.95962.8508
E 面半功率波瓣寬度(deg) 10.382410.49820.1158-
波束指向偏移量(deg) O-0.2-0.2
最大副瓣電平(dB)-19.5529-18.43281.0962
H 面半功率波瓣寬度(deg)11.152611.64320.4906
波束指向偏移量(deg) O0.10.1由有源相控陣天線隨機振動變形對天線電性能影響程度可以看出，天線工作環(huán)境的隨機振動引起輻射單元的位置變化，產生相位和幅度誤差，使天線的電性能下降，尤其是副瓣電平的變化較其它電性能指標的變化更為明顯。因此本實施例中有源相控陣天線隨機振動變形對天線電性能造成較大大的影響，需要修改天線結構參數，以滿足天線電性能指標要求。
權利要求
1.振動變形對陣列天線電性能影響的預測方法，其特征在于，該方法包括下述步驟 1)根據陣列天線的結構參數以及材料屬性，確定陣列天線的幾何模型參數； 2)在ANSYS中構建陣列天線的結構有限元模型； 3)給定陣列天線結構有限元模型的約束條件和機載隨機振動加速度功率譜，計算陣列天線隨機振動變形量，分別提取陣列天線有限元模型的各個輻射單元中心節(jié)點在X，y，z方向上的位置偏移量； 4)根據陣列天線有限元模型輻射單元中心節(jié)點位置偏移量，利用機電耦合模型，得到陣列天線方向圖函數，并繪制陣列天線方向圖； 5)根據陣列天線的電性能指標要求，判斷計算出的陣列天線電性能是否滿足要求，如果滿足要求，則陣列天線結構設計合格；否則，修改陣列天線的結構參數，并重復步驟I)到步驟4)，直至滿足要求。
2.根據權利要求I所述的振動變形對陣列天線電性能影響的預測方法，其特征在于，所述步驟I)陣列天線的結構參數包括冷板、輻射單元、T/R組件以及陣面框架的參數。
3.根據權利要求I所述的振動變形對陣列天線電性能影響的預測方法，其特征在于，所述步驟I)陣列天線的材料屬性包括彈性模量、泊松比以及密度。
4.根據權利要求I所述的振動變形對陣列天線電性能影響的預測方法，其特征在于，所述步驟3)陣列天線有限元模型的各個輻射單元中心節(jié)點在X，y, z方向上的位置偏移量為(Δχ。,。，Ay0j0, Δ ζ0；0)......(Axmn, Aymn, Δ zmn),其中MXN個各個福射單元按等間距矩形柵格陣排列，m為O M-I之間的自然數，代表陣列天線M列輻射單元的編號，η為O N-I之間的自然數，代表陣列天線N行輻射單元的編號。
5.根據權利要求I所述的振動變形對陣列天線電性能影響的預測方法，其特征在于，所述步驟4)中計算陣列天線方向圖函數按照下式進行 4a)設陣列天線共有MXN個輻射單元按等間距矩形柵格陣排列，單元間橫向和縱向的間距分別為dx與dy ;觀察點P相對于直角坐標系xyz所在的方向以方向余弦表示為(cos α χ, cos a y, cos a z)，由此得到觀察點P相對于坐標軸的夾角與方向余弦的關系
6.根據權利要求I所述的振動變形對陣列天線電性能影響的預測方法，其特征在于，所述步驟4)繪制陣列天線方向圖，從陣列天線方向圖得到天線增益、E面副瓣電平、E面半功率波瓣寬度和E面波束指向偏移量，以及H面副瓣電平、H面半功率波瓣寬度和H面波束指向偏移量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種振動變形對陣列天線電性能影響的預測方法，該方法包括1)確定陣列天線幾何模型文件；2)在ANSYS中構建其有限元模型；3)給定加速度功率譜，計算隨機振動變形量，提取各個輻射單元位置偏移量；4)計算陣列天線方向圖函數；5)判斷是否滿足設計要求。傳統(tǒng)方法根據加速度功率譜分析天線結構強度是否滿足要求，無法根據陣面變形誤差確定電性能。本方法可以通過隨機振動所導致偏移量實現(xiàn)對天線電性能預測；本方法更為簡潔，可以將偏移量引入機電耦合模型計算電性能，不需要根據偏移量的變化重復電磁建模；利用本方法，分析振動對天線的影響，找出主要結構因素，以保證天線不被破壞并提高其工作狀態(tài)下的電性能。
文檔編號G06F17/50GK102890741SQ20121041447
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權日2012年10月25日
發(fā)明者王從思, 李兆, 普濤, 王偉, 康明魁, 王猛, 段寶巖, 黃進, 保宏, 王艷, 宋立偉, 李鵬, 李娜 申請人:西安電子科技大學