一种基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能预测方法，包括：确定赋形反射面天线结构方案；建立赋形反射面天线结构有限元模型；计算赋形面天线结构自重变形；计算赋形反射面天线的赋形面误差和馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项；利用赋形反射面天线机电耦合模型，计算变形赋形反射面天线的电性能；判断是否满足设计要求。该方法可以准确分析重力载荷对赋形反射面天线结构的影响，实现赋形反射面天线的结构和电磁两场耦合分析；分析各种结构误差对天线工作性能的影响，可以找出其中主要结构因素，根据实际需要给出合理的结构精度要求，缩短研制周期，降低研制成本。

A method for predicting the electrical performance of shaped reflector antennas based on electromechanical coupling model

The invention discloses a prediction method of shaped reflection electromechanical coupling model based on surface electrical performance of antenna comprises: determining a shaped reflector antenna structure design; finite element model of antenna shaped reflection; calculation of deformation of shaped antenna structure weight; calculation of shaped reflector antenna surface shape error and the feed error of the antenna aperture field effect of amplitude phase; the shaped reflector antenna electromechanical coupling model, the electrical properties of the deformation calculation of shaped reflector antenna; whether meet the design requirements. The method can accurately analyze the influence of gravity load shaped reflector antenna structure of Fu, the analysis of the structure and the electromagnetic coupling to realize shaped reflector antenna; analysis of the influence of various structural errors on the antenna performance, can find out the main factors, according to the requirements of structure precision are given reasonable actual needs, shorten the development cycle, reduce development cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能预测方法
本专利技术涉及天线
，具体是一种基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能预测方法。
技术介绍
赋形反射面天线在对空搜索雷达、对地机载雷达的目标跟踪和卫星通信等多个领域都有着广泛的应用。当其工作频段较高时，结构因素对天线的辐射性能影响较大。影响赋形反射面天线电性能的结构因素主要包括赋形面表面误差与馈源误差。赋形面表面误差包括在外载荷，如风、振动、太阳照射等作用下的赋形面表面变形误差，以及背架和面板制造、装配过程中产生的反射面随机误差。外载荷除导致赋形面变形外，还会引起馈源误差，即馈源的位置偏移和指向偏转。高频率、低副瓣、轻重量的发展趋势，对赋形反射面天线的结构设计与工艺提出了更高的要求。而传统的设计方法在保证电性能同时常常会对结构设计提出苛刻的要求。过高的结构精度要求虽然可保证天线的工作性能，但却会使其成本大大提高，甚至出现受技术水平和实际工作环境限制，无法满足给定精度要求的情况。因此，有必要根据电性能的指标要求准确地提出对天线结构设计的要求。也就是说，通过建立赋形反射面天线结构设计与电磁设计之间的相互影响、相互制约的关系，即利用机电耦合方法来预测各种结构方案下的天线电性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有赋形反射面天线分析技术中往往忽视结构位移场和电磁场之间的耦合关系，而单独考虑其一个方面的影响，导致赋形反射面天线结构和热设计中机、电分离。为此，本专利技术提出了一种基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能的预测方法，以实现基于赋形反射面天线机电两场耦合的电性能预测，用以指导其结构设计。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。一种基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能预测方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：(1)根据赋形反射面天线的结构参数以及材料属性，确定天线结构方案；(2)在有限元力学分析软件中建立赋形反射面天线结构有限元模型；(3)根据建立的天线结构有限元模型，在有限元力学分析软件中对赋形反射面天线结构有限元模型施加重力载荷，计算天线结构自重变形，并提取赋形反射面天线有限元模型各个节点的误差；(4)根据赋形反射面天线有限元模型各个节点的误差，计算赋形反射面天线在重力载荷情况下的赋形面误差和馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项；(5)利用赋形反射面天线机电耦合模型，计算赋形反射面天线的电性能；(6)根据赋形反射面天线的电性能指标要求，判断赋形反射面天线电性能是否满足要求，如果满足要求，则确定赋形反射面天线结构设计方案；否则，修改赋形反射面天线结构参数，并重复步骤(1)到步骤(5)，直至满足要求。进一步，步骤(1)中，所述赋形反射面天线的结构参数包括赋形面口径和焦距；所述赋形反射面天线的材料属性包括天线背架材料和赋形面面板材料的密度、弹性模量。进一步，所述步骤(3)中，赋形反射面天线有限元模型各个节点的误差，包括赋形面节点轴向误差Δz′、馈源位置误差d(δ(β))和馈源指向误差(Δξ(δ(β)),Δφ′(δ(β)))。进一步，所述步骤(4)中，计算赋形反射面天线在重力载荷下赋形面误差，按如下过程进行：(4a)当赋形反射面天线存在赋形面节点轴向误差Δz′，未变形赋形面与抛物面之间存在轴向误差Δz，给出Δz与Δz′共同影响下的赋形反射面天线相对于抛物面天线的波程差(4b)根据步骤(4a)得到的波程差得出赋形反射面天线的相位误差(4c)赋形反射面天线的轴向误差Δz′包括随机轴向误差Δzγ(γ)和系统轴向误差Δzs(δ(β))；(4d)将步骤(4c)赋形反射面天线的轴向误差Δz′和未变形赋形面与抛物面之间存在轴向误差Δz代入步骤(4b)赋形反射面天线的相位误差中，得到赋形面和抛物面之间的形面轴向误差对口径场相位的影响项赋形面随机误差对口径场相位的影响项和赋形面系统误差对口径场相位的影响项所述步骤(4)馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项包括馈源位置误差对口径场相位的影响项和馈源指向误差对口径场幅度的影响项进一步，所述步骤(4)中计算赋形反射面天线在重力载荷下的馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项，按如下过程进行：(4a’)赋形反射面天线在重力载荷作用下的轴向误差Δz′以及赋形面和抛物面之间的形面轴向误差Δz共同引起馈源位置和指向误差；(4b’)馈源位置误差为d，得到馈源位置误差对口径场相位的影响项包括赋形面系统误差引起的馈源位置误差对口径场相位的影响项(4c’)在xyz坐标系下，当馈源与负z轴方向存在指向误差Δξ时，得到新的指向角度ξ′，包括抛物面天线未变形的指向角度ξ，未变形赋形面和抛物面之间的形面轴向误差Δz引起的指向误差Δξ(Δz)和天线结构位移δ(β)引起的指向误差Δξ(δ(β))；根据馈源φ′方向存在指向误差Δφ′，得到新的φ′方向角(4d’)由步骤(4c’)得到赋形反射面天线馈源指向误差对口径场幅度的影响项包括赋形面和抛物面之间的形面轴向误差Δz在馈源φ′方向角引起的指向误差Δφ′(Δz)，以及天线结构位移δ(β)在馈源φ′方向角引起的指向误差Δφ′(δ(β))。进一步，所述步骤(5)中将赋形反射面天线有限元模型各个节点在重力载荷下赋形面结构变形以及未变形赋形面与抛物面之间存在轴向误差对天线口径场幅度相位的影响项引入电磁场分析模型中，得到赋形反射面天线机电两场耦合模型E(θ,φ)：进一步，根据步骤(5)赋形反射面天线的电性能绘制天线功率方向图，得到增益和第一副瓣电平。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1.利用赋形反射面天线的结构有限元模型进行有限元分析，确定自重导致的结构变形，可以准确评估自重对赋形反射面天线电性能的影响，进而实现赋形反射面天线的结构和电磁两场耦合分析；2.通过研究工作载荷下赋形反射面天线电性能衰减问题，建立了赋形反射面天线机电耦合模型，分析了赋形面与馈源等主要结构误差对天线工作性能的影响，可以找出其中主要结构因素，并根据实际需要给出合理的结构精度要求，以降低对结构设计与加工精度的要求，缩短赋形反射面天线的研制周期，降低研制成本。附图说明图1为本专利技术的总流程图。图2为赋形反射面天线ANSYS结构模型图。图3为赋形反射面天线变形位移云图。图4为抛物面、赋形面和变形赋形面示意图。图5为抛物面与变形赋形面误差示意图。图6为抛物面与变形赋形面馈源位置误差示意图。图7为抛物面与变形赋形面馈源指向误差示意图。图8为理想赋形面与变形赋形面的电性能对比图。具体实施方式下面结合附图和实施例对专利技术作进一步的详细说明，但并不作为对专利技术做任何限制的依据。如图1所示，一种基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能预测方法，具体步骤如下：步骤1，确定天线结构方案根据赋形反射面天线的结构参数以及材料属性，确定天线结构方案。赋形反射面天线的结构参数包括赋形面口径和焦距；赋形反射面天线的材料属性包括天线背架材料和赋形面面板材料的密度、弹性模量。步骤2，建立赋形反射面天线结构有限元模型根据确定的天线结构方案，在有限元力学分析软件中建立赋形反射面天线结构有限元模型。步骤3，计算天线结构自重变形,并提取赋形反射面天线有限元模型各个节点的误差计算天线结构自重变形，并提取赋形反射面天线有限元模型各个节点的误差；赋形反射面天线有限元模型各个节点的误差，包括赋形面节点轴向误本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能预测方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：(1)根据赋形反射面天线的结构参数以及材料属性，确定天线结构方案；(2)在有限元力学分析软件中建立赋形反射面天线结构有限元模型；(3)根据建立的天线结构有限元模型，在有限元力学分析软件中对赋形反射面天线结构有限元模型施加重力载荷，计算天线结构自重变形，并提取赋形反射面天线有限元模型各个节点的误差；(4)根据赋形反射面天线有限元模型各个节点的误差，计算赋形反射面天线在重力载荷情况下的赋形面误差和馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项；(5)利用赋形反射面天线机电耦合模型，计算赋形反射面天线的电性能；(6)根据赋形反射面天线的电性能指标要求，判断赋形反射面天线电性能是否满足要求，如果满足要求，则确定赋形反射面天线结构设计方案；否则，修改赋形反射面天线结构参数，并重复步骤(1)到步骤(5)，直至满足要求。

【技术特征摘要】
1.一种基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能预测方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：(1)根据赋形反射面天线的结构参数以及材料属性，确定天线结构方案；(2)在有限元力学分析软件中建立赋形反射面天线结构有限元模型；(3)根据建立的天线结构有限元模型，在有限元力学分析软件中对赋形反射面天线结构有限元模型施加重力载荷，计算天线结构自重变形，并提取赋形反射面天线有限元模型各个节点的误差；(4)根据赋形反射面天线有限元模型各个节点的误差，计算赋形反射面天线在重力载荷情况下的赋形面误差和馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项；(5)利用赋形反射面天线机电耦合模型，计算赋形反射面天线的电性能；(6)根据赋形反射面天线的电性能指标要求，判断赋形反射面天线电性能是否满足要求，如果满足要求，则确定赋形反射面天线结构设计方案；否则，修改赋形反射面天线结构参数，并重复步骤(1)到步骤(5)，直至满足要求。2.根据权利要求1所述的基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能预测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述赋形反射面天线的结构参数包括赋形面口径和焦距；所述赋形反射面天线的材料属性包括天线背架材料和赋形面面板材料的密度、弹性模量。3.根据权利要求1所述的基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中赋形反射面天线有限元模型各个节点的误差，包括赋形面节点轴向误差Δz′、馈源位置误差d(δ(β))和馈源指向误差(Δξ(δ(β)),Δφ′(δ(β)))。4.根据权利要求1所述的基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能预测方法，其特征在于，所述步骤(4)中计算赋形反射面天线在重力载荷下赋形面误差，按如下过程进行：(4a)当赋形反射面天线存在赋形面节点轴向误差Δz′，未变形赋形面与抛物面之间存在轴向误差Δz，Δz与Δz′共同影响下的赋形反射面天线相对于抛物面天线的波程差为：式中，Δz″为变形赋形面与抛物面之间的轴向误差；ξ为抛物面天线未变形的指向角度；(4b)根据步骤(4a)得到的波程差得出赋形反射面天线的相位误差为：式中，k为波常数，λ为工作波长；(4c)赋形反射面天线的轴向误差Δz′包括随机轴向误差Δzγ(γ)和系统轴向误差Δzs(δ(β))，由此导出：Δz′＝Δzγ(γ)+Δzs(δ(β))式中，γ为制造、装配过程中产生的随机误差；δ(β)为天线结构位移；β为天线结构设计变量，包括结构尺寸、形状、拓扑和类型参数；(4d)将步骤(4c)赋形反射面天线的轴向误差Δz′和未变形赋形面与抛物面之间存在轴向误差Δz代入步骤(4b)赋形反射面天线的相位误差中，得到：式中，是赋形面和抛物面之间的形面轴向误差对口径场相位的影响项，是赋形面随机误差对口径场相位的影响项，是赋形面系统误差对口径场相位的影响项。5.根据权利要求1所述的基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能预测方法，其特征在于，所述步骤(4)馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项包括馈源位置误差对口径场相位的影响项和馈源指向误差对口径场幅度的影响项6.根据权利要求5所述的基于机电耦合模型的赋形反射面天线电性能预测方法，其特征在于，所述步骤(4)中计算赋形反射面天线在重力载荷下的馈源误差对天线口径场幅度相位的影响项，按如下过程进行：(4a’)赋形反射面天线在重力载荷作用下的轴向误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：王从思，王守菲，李素兰，王伟，许谦，项斌斌，米建伟，朱诚，蒋力，陈卯蒸，段宝岩，王浩，
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