本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于機電耦合理論的變形陣列天線遠場方向圖分析方法，可用于指導實際工作中的陣列天線電性能分析。

背景技術(shù)：

陣列天線發(fā)展至今已有百余年歷史，由于其具有易于實現(xiàn)窄波束、低副瓣、多波束和相控波束掃描的能力，被廣泛用于無線電通信系統(tǒng)與雷達系統(tǒng)中。實際工作中的陣列天線會由于重力、風等外載荷產(chǎn)生變形(假定只造成陣元位置偏移，未造成指向偏轉(zhuǎn))，進而造成天線的輻射性能退化，即與理想遠場方向圖產(chǎn)生偏差。

已有許多方法用于變形陣列天線遠場方向圖分析，但是這些方法很少考慮互耦效應(yīng)。然而互耦效應(yīng)是天線實際工作過程中不可忽視的重要因素之一。天線的機械誤差會造成陣元的位置發(fā)生改變，一方面會使得陣元空間相位發(fā)生改變；另一方面，由于陣元間相對位置發(fā)生變化，進而影響其互耦效應(yīng)，以上兩者綜合作用使變形陣列天線輻射方向圖與理想方向圖產(chǎn)生偏差，不能滿足工程設(shè)計要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有變形陣列天線電性能分析方法的不足，本發(fā)明提供了一種基于機電耦合理論的變形陣列天線遠場方向圖分析方法，該方法考慮了陣元間的互耦效應(yīng)，能夠精確分析變形陣列天線遠場方向圖，對實際工作中的陣列天線輻射性能預(yù)測具有重要意義。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的。

一種基于機電耦合理論的變形陣列天線遠場方向圖分析方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)天線的實際工程需求，確定陣列天線結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)以及材料參數(shù)，

(2)根據(jù)陣列天線結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與材料參數(shù)，建立陣列天線結(jié)構(gòu)幾何模型；

(3)根據(jù)陣列天線結(jié)構(gòu)幾何模型及其工作環(huán)境，建立結(jié)構(gòu)有限元分析模型；

(4)根據(jù)陣列天線的結(jié)構(gòu)有限元模型，確定變形陣列天線輻射單元位置坐標；

(5)由輻射單元位置坐標，確定輻射單元空間相位參數(shù)以及考慮互耦效應(yīng)的等效激勵值；

(6)根據(jù)輻射單元空間相位參數(shù)及其等效激勵值，計算陣列天線遠場方向圖，分析其輻射特性。

進一步，所述步驟(1)中，陣列天線幾何參數(shù)包括輻射單元形式、陣元柵格排布形式和陣元間局；材料參數(shù)包括彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)和密度。

進一步，所述步驟(3)中，建立陣列天線結(jié)構(gòu)有限元模型，按照如下步驟進行：

(3a)建立陣列天線的輻射單元、背架結(jié)構(gòu)和加強筋的有限元結(jié)構(gòu)；

(3b)確定陣列天線工作環(huán)境參數(shù)，包括重力載荷、風載荷、溫度載荷和雨雪載荷；

(3c)施加相應(yīng)邊界條件，即將步驟(3b)中的載荷施加到載荷作用的節(jié)點以及將支撐節(jié)點進行位移約束。

進一步，所述步驟(4)中，根據(jù)陣列天線結(jié)構(gòu)有限元模型，確定變形陣列天線輻射單元位置坐標，按照如下步驟進行：

(4a)確定天線結(jié)構(gòu)有限元離散節(jié)點位移信息，包括天線結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、結(jié)構(gòu)節(jié)點載荷列陣、結(jié)構(gòu)節(jié)點的位移列陣、速度列陣以及加速度列陣；

(4b)選擇輻射單元所在節(jié)點位移信息；

(4c)計算變形陣列天線輻射單元位置坐標。

進一步，所述步驟(5)中，確定輻射單元空間相位參數(shù)以及考慮互耦效應(yīng)的激勵值，包括：

(5a)根據(jù)步驟(4)中獲得的變形陣列天線輻射單元位置坐標，計算第i個輻射單元空間相位參數(shù)；

(5b)根據(jù)步驟(4)中獲得的變形陣列天線輻射單元位置坐標，計算考慮互耦效應(yīng)的輻射單元激勵值。

進一步，所述步驟(6)包括：

(6a)根據(jù)步驟(5a)計算得到輻射單元空間相位參數(shù)，確定矩陣md；

(6b)根據(jù)步驟(5b)計算結(jié)果以及步驟(6a)計算結(jié)果，計算陣列天線遠場方向圖；

(6c)根據(jù)步驟(6b)計算變形陣列天線遠場方向圖，獲得第一副瓣電平等參數(shù)。

本發(fā)明技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點：

1.實際工程中，陣列天線的環(huán)境載荷直接對其電性能產(chǎn)生影響，本發(fā)明提出了一種基于機電耦合理論的變形陣列天線遠場方向圖分析方法，以天線結(jié)構(gòu)有限元模型為基礎(chǔ)，施加環(huán)境載荷，分析求得輻射單元位置信息，然后根據(jù)輻射單元位置信息求解輻射單元空間相位參數(shù)以及考慮互耦效應(yīng)后的等效激勵值，最后根據(jù)陣列天線遠場方向圖計算式求得變形陣列天線遠場方向圖。因為考慮了天線的實際工作環(huán)境因素，可以精確分析變形陣列天線遠場輻射特性。

2.本發(fā)明與傳統(tǒng)變形陣列天線分析方法相比，同時考慮了陣列天線機械誤差導致的輻射單元間的互耦效應(yīng)的改變以及輻射單元的空間相位參數(shù)的改變，可精確分析變形陣列天線輻射特性，對于實際工作中的陣列天線電性能分析具有很強的工程意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種基于機電耦合理論的變形陣列天線遠場方向圖分析方法的流程圖；

圖2是1/4輻射單元布局示意圖；

圖3是陣列天線陣面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是陣列天線在仰天工況自重作用下總位移云圖；

圖5是采用本發(fā)明與數(shù)值軟件feko仿真結(jié)果e面對比圖；

圖6是采用本發(fā)明與數(shù)值軟件feko仿真結(jié)果h面對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對發(fā)明作進一步的詳細說明，但并不作為對發(fā)明做任何限制的依據(jù)。

參照圖1，本發(fā)明為一種基于機電耦合理論的變形陣列天線遠場方向圖分析方法，具體步驟如下：

步驟1，確定陣列天線幾何參數(shù)

根據(jù)該陣列天線的實際工程需求，確定陣列天線幾何參數(shù)，包括輻射單元形式、陣元柵格排布類型、陣元間距，如圖2所示；此外，還需確定所用材料的材料特性參數(shù)，包括彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)和密度。

步驟2，建立陣列天線結(jié)構(gòu)幾何模型

根據(jù)步驟1中確定的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)以及所用材料的材料特性參數(shù)，建立陣列天線結(jié)構(gòu)幾何模型，其陣面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

步驟3，建立陣列天線結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)步驟2中建立的陣列天線結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)有限元模型，將工作環(huán)境載荷施加到作用的節(jié)點上，并且將支撐節(jié)點位移進行約束，完成陣列天線結(jié)構(gòu)有限元模型的建立。

(3a)建立陣列天線的輻射單元、背架結(jié)構(gòu)和加強筋的有限元結(jié)構(gòu)；

(3b)確定陣列天線工作環(huán)境參數(shù)，包括重力載荷、風載荷、溫度載荷和雨雪載荷；

(3c)施加相應(yīng)邊界條件，即將步驟(3b)中的載荷施加到載荷作用的節(jié)點以及將支撐節(jié)點進行位移約束。

步驟4，獲取輻射單元位置坐標

獲取輻射單元位置坐標，包括以下步驟：

(4a)確定天線結(jié)構(gòu)有限元離散節(jié)點位移信息，按照下式計算

其中，k1、k2、k3分別為天線結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣以及剛度矩陣，f為結(jié)構(gòu)節(jié)點載荷列陣，δ分別為結(jié)構(gòu)節(jié)點的位移列陣、速度列陣以及加速度列陣；

(4b)選擇輻射單元所在節(jié)點位移信息

其中，t為選擇矩陣，其具體參數(shù)取決于天線結(jié)構(gòu)有限元模型節(jié)點分布，n為陣列天線輻射單元個數(shù)，分別為第i個輻射單元在直角坐標系三個軸向方向上的偏移量；

(4c)計算陣列天線輻射單元位置坐標，按照下式求解

其中，矩陣p0為陣元理想位置矩陣，x′i、y′i、z′i(i＝1～n)為天線結(jié)構(gòu)變形后第i個輻射單元在直角坐標系下的位置坐標。

步驟5，計算輻射單元空間相位參數(shù)以及等效激勵

獲取輻射單元空間相位參數(shù)以及等效激勵，包括以下步驟：

(5a)根據(jù)步驟(4)中獲得的變形陣列天線輻射單元位置坐標，按照下式計算第i個輻射單元空間相位參數(shù)：

其中，j為虛數(shù)單位，k為電磁波在自由空間中的傳播常數(shù)，為第i個單元位矢，為輻射空間單位向量；

(5b)根據(jù)步驟(4)中獲得的變形陣列天線輻射單元位置坐標，按照下式計算考慮互耦效應(yīng)的輻射單元激勵值

id＝cdi0

其中，為天線變形后輻射單元等效激勵矩陣，為天線變形前輻射單元激勵矩陣。cd為考慮變形信息的陣列天線互耦矩陣，可采用感應(yīng)電動勢法等解析或矩量法等數(shù)值方法求得。

步驟6，計算變形陣列天線遠場輻射特性

為計算變形陣列天線遠場輻射特性，應(yīng)按以下步驟進行：

(6a)根據(jù)步驟(5a)計算得到輻射單元空間相位參數(shù)，確定如下矩陣

md＝[f1sp1f2sp2…fnspn]^t

式中，fi、spi(i＝1～n)分別為第i個輻射單元的單元方向圖與空間相位因子；

(6b)根據(jù)步驟(5b)計算結(jié)果以及步驟(6a)計算結(jié)果，利用下式計算變形陣列天線遠場方向圖：

式中，md矩陣由步驟(6a)給出，id為天線變形后輻射單元等效激勵矩陣；

(6c)根據(jù)步驟(6b)計算變形陣列天線遠場方向圖，獲得第一副瓣電平等參數(shù)。

本發(fā)明的優(yōu)點可以通過以下的仿真案例得到進一步的說明

1.仿真參數(shù)

以中心工作頻率f＝1ghz的某2m口徑平面陣列天線為分析案例，分析該陣列天線在仰天工況下其輻射性能。該陣列天線包括91個輻射單元，輻射單元類型為半波振子，其結(jié)構(gòu)拓撲如圖3所示，輻射單元柵格排布如圖2所示，該陣列天線陣元采用均勻激勵，即理想激勵電流為i0＝[11…1]^t。

2.仿真內(nèi)容與結(jié)果

圖4給出了該陣列天線陣面結(jié)構(gòu)總位移云圖，圖5及圖6分別給出了利用該方法計算的e面和h面方向圖與數(shù)值軟件feko的仿真結(jié)果的對比情況，表1給出了采用本發(fā)明與feko軟件計算的兩個主面第一副瓣歸一化電平值對比結(jié)果，從中可以看出，采用本發(fā)明分析變形陣列天線遠場方向圖與數(shù)值軟件feko計算結(jié)果基本一致，驗證了該方法的有效性。

表1電性能參數(shù)對比

本發(fā)明并不局限于上述實施例，在本發(fā)明公開的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，不需要創(chuàng)造性的勞動就可以對其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。