本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于天线
，具体涉及阵列天线散射性能的预测方法。本专利技术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。
技术介绍
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。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。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。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。
技术实现思路
基于上述问题，本专利技术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。实现本专利技术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。本专利技术是通过以下述技术方案实现的: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:(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；(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，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；(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。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。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。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。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:(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，本文档来自技高网...
【技术保护点】
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(z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，z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，z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。...
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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