面向辐射和散射的稀疏排布阵列天线结构公差的确定方法技术

本发明专利技术公开了一种面向辐射和散射的稀疏排布阵列天线结构公差的确定方法，包括确定稀疏排布阵列天线的结构、电磁工作参数和稀疏排布矩阵，给出初始结构公差；将结构公差分配为稀疏阵面所在平面内阵元位置安装精度和阵元所在稀疏阵面法向阵面平面度；获取阵元位置安装误差随机数和阵面平面度误差随机数；计算稀疏阵中相邻两个辐射单元在目标处的辐射场空间相位差，得到天线辐射场口面相位差；计算天线辐射场方向图；计算相天线增益相对于设计指标的恶化程度；判断是否满足设计要求；计算天线散射场口面相位差及散射场方向图，并计算散射场电性能参数；判断是否满足设计要求。本发明专利技术方法能够降低加工和安装难度，减少研制成本，缩短研制周期。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达天线领域，具体涉及稀疏排布的阵列天线结构设计和制造公差的确定和分配，可用于指导稀疏排布阵列天线结构公差的快速确定。
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所不可少的装置。而随着科技的发展，普通的天线已经不足以满足需求，特别是军事领域中的制导武器、电子对抗等，更是对雷达天线提出了严格的要求。阵列天线因其可靠性高、功能多、探测和跟踪能力高等优势，已经广泛应用于各种雷达系统中并成为当今雷达发展的主流，特别是在先进的战斗机综合电子信息系统中得到了很好地应用。而随着科技的进步，现代电子战对于武器的一个新要求便是隐身，武器装备的隐身性能不仅决定着其载体的生存概率及使用效果，而且也是不战而屈人之兵的重要威慑砝码，因此隐身技已成为当前各国关注的焦点。但是，天线首先是为了满足人们探测与通信的要求而出现的，随着科技的发展，天线被越来越多地用于战场侦察与通讯，所以天线作为一种侦查设备，其本身与隐身是矛盾的。所以稀疏排布阵列天线的提出，有效的解决了这一矛盾，它能够使天线在满足侦查功能的前提下尽可能大的提高武器平台的隐身性能，即降低其雷达散射截面(RCS)。随着世界军事技术的发展，对于天线的技术指标要求也越来越高，而对于稀疏排布的阵列天线来说，其电性能不仅受到电磁因素的制约，同时也受机械因素的制约。稀疏排布阵列天线的电性能是稀疏阵中每个天线单元在远场叠加的结果，由于机械加工误差、安装误差的存在，会使阵中每个天线单元的位置发生改变，从而使得天线的口径场相位差发生变化，并最终导致天线的增益下降、副瓣电平抬升，严重影响了天线的电性能。因此，如何根据天线电性能指标要求，快速确定天线结构公差，是研制高性能稀疏排布的阵列天线过程中必然会遇到的一个难题。然而，稀疏排布阵列天线阵中每个天线单元的位置发生改变，又会使其散射性能变好，即降低了其雷达散射截面，所以有必要找到一种建立在均衡考虑辐射场和散射场性能前提下的确定稀疏排布阵列天线结构公差的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一面向辐射和散射的稀疏排布阵列天线结构误差的确定方法，以便有效解决在稀疏排布阵列天线结构方案设计时难以快速确定与分配天线结构公差的问题，可指导稀疏排布阵列天线阵元位置安装精度与阵面平面度的制定与分配，以及天线结构方案的评价。实现本专利技术目的的技术解决方案是：面向辐射和散射的稀疏排布阵列天线结构公差的确定方法，包括下述步骤：(1)根据平面矩形栅格阵列天线的基本结构，确定天线的结构参数、电磁参数以及稀疏排布矩阵，并给出该稀疏排布阵列天线初始的结构公差；(2)根据结构公差，针对稀疏排布阵列天线中每个阵元存在位置误差，将结构公差分配为稀疏阵面所在平面内即x向和y向阵元的位置安装精度，和阵元所在稀疏阵面法向即z向阵面平面度；(3)根据稀疏阵面的x向和y向阵元位置安装精度和z向阵面平面度，分别获取x向和y向阵元位置安装误差随机数和z向阵面平面度误差随机数；(4)利用x向和y向阵元的位置安装误差和z向阵面平面度误差，计算稀疏排布矩阵中相邻的两个辐射单元在目标处的辐射场空间相位差，进而得到稀疏排布阵列天线的辐射场口面相位误差；(5)结合稀疏排布阵列天线中天线单元的激励电流幅度相位、辐射单元方向图，计算稀疏排布阵列天线辐射场方向图；(6)根据稀疏排布阵列天线辐射场方向图，分析计算天线增益相对于设计指标的恶化程度；(7)根据天线设计指标要求，判断当前结构公差条件下稀疏排布阵列天线的辐射场电性能是否满足要求，如果满足要求，则执行步骤(8)；否则，重新给定结构公差，重复步骤(2)至步骤(6)，直到满足要求为止；(8)根据当前的稀疏排布阵列天线的结构公差，计算散射场口面相位差，进而计算稀疏排布阵列天线散射场方向图，并由此计算散射场电性能参数；(9)根据天线设计要求，判断在当前结构公差条件下稀疏排布阵列天线的散射场电性能是否满足要求，如果满足要求，那么当前的阵元位置安装精度和阵面平面度就是所要确定的稀疏排布阵列天线的结构公差；否则，更改阵列天线的稀疏排布方案，重复步骤(1)至步骤(8)，直到满足要求为止。步骤(1)天线的结构参数包括阵面辐射单元的行数M、列数N和阵元间距，电磁参数包括天线的工作频率fr及其工作波长λr，以及雷达照射该天线时的入射波频率fs和雷达照射该天线的入射波波长λs。步骤(4)按如下过程进行：(4a)假设一个稀疏排布阵列天线，在其为满阵时共有M×N个天线单元按照等间距矩形栅格排列，天线单元在x向和y向的间距分别是dx和dy，目标相对于坐标系O-xyz所在的方向以方向余弦表示为(cosαx,cosαy,cosαz)，则目标相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系为：(4b)对于在满阵情况下的阵列天线，其第(m,n)个天线单元的设计坐标为(m·dx,n·dy,0)，由于存在结构公差使天线单元在阵面内(x向和y向)和阵面法向(z向)的位置偏移量为(Δxmn,Δymn,Δzmn)，则第(m,n)个天线单元的实际坐标为(m·dx+Δxmn,n·dy+Δymn,Δzmn)，所以天线相邻两单元间在目标处(θ,φ)沿x轴、y轴和z轴的辐射场空间相位差分别为：其中，辐射场空间波常数kr＝2π/λr；而第(0,0)个天线单元的实际坐标为(Δx00,Δy00,Δz00)，因此第(m,n)个天线单元相对于第(0,0)个天线单元的辐射场相位差为：(4c)将阵面内每个天线单元相对与参考天线单元(0,0)的相位差按其位置编号存储在一个矩阵相应的位置上，该矩阵即表示此稀疏排布天线口面的辐射场相位差。步骤(5)按如下过程进行：(5a)应用步骤(1)得到的天线稀疏排布矩阵T，以及步骤(4b)得到的天线单元辐射场相位差ΔΦrmn，根据方向图乘积原理和阵列天线远场叠加原理，可以得到稀疏排布阵列天线辐射场方向图函数为：其中，为天线单元在自由空间的方向图，Imn为激励电流幅度，T(m,n)为矩阵T的第m行第n列元素，j是一个虚数，其值为(5b)利用步骤(5a)得到的稀疏排布阵列天线辐射场方向图函数，可计算出天线辐射场区域某点的电场值；改变的数值，重复计算过程，可以得出辐射场区域某个具体范围内的所有点的电场值，将场值取对数，可计算出稀疏排布阵列天线辐射场某区域范围的方向图。步骤(6)根据步骤(5a)计算得到的稀疏排布阵列天线辐射场方向图计算天线增益，并基于天线设计指标得到增益损失量；步骤(8)按如下过程进行：(8a)利用步骤(4b)得出的辐射场阵元之间相位差，可得第(m,n)个天线单元相对于第(0,0)个天线单元的散射场相位差为：其中，散射场空间波常数ks＝2π/λr；(8b)应用步骤(1)得到的表示天线稀疏性的矩阵T，以及步骤(8a)得到的天线散射场口面相位差ΔΦsmn，可以得到稀疏排布阵列天线的散射场方向图函数为：其中，为散射场单元散射因子，T(m,n)为矩阵T的第m行第n列元素；(8c)利用步骤(8b)得到的稀疏排布阵列天线散射场方向图函数，可计算出天线散射场某点的散射强度值；改变的数值，重复计算过程，可以得出散射场某个具体范围内的所有点的散射强度值，将场值取对数，可计算出稀疏排布阵列天线散射场某区域范围的本文档来自技高网...

【技术保护点】
面向辐射和散射的稀疏排布阵列天线结构公差的确定方法，包括下述步骤：(1)根据平面矩形栅格阵列天线的基本结构，确定天线的结构参数以及电磁参数，确定出稀疏排布阵列天线的稀疏排布矩阵，并给出该稀疏排布阵列天线的结构公差；(2)根据结构公差，针对稀疏排布阵列天线中每个阵元存在位置误差，将结构公差分配为稀疏阵面所在平面内即x向和y向阵元的位置安装精度，和阵元所在稀疏阵面法向即z向阵面平面度；(3)根据稀疏阵面的x向和y向阵元位置安装精度和z向阵面平面度，分别获取x向和y向阵元位置安装误差随机数和z向阵面平面度误差随机数；(4)利用x向和y向阵元的位置安装误差和z向阵面平面度误差，计算稀疏排布矩阵中相邻的两个辐射单元在目标处的辐射场空间相位差，进而得到稀疏排布阵列天线的辐射场口面相位误差；(5)结合稀疏排布阵列天线中天线单元的激励电流幅度相位、辐射单元方向图，计算稀疏排布阵列天线辐射场方向图；(6)根据稀疏排布阵列天线辐射场方向图，计算并分析天线增益相对于设计指标的恶化程度；(7)根据天线设计指标要求，判断当前结构公差条件下稀疏排布阵列天线的辐射场电性能是否满足要求，如果满足要求，则执行步骤(8)；否则，重新给定结构公差，重复步骤(2)至步骤(6)，直到满足要求为止；(8)根据当前的稀疏排布阵列天线的结构公差，计算散射场口面相位差，进而计算稀疏排布阵列天线散射场方向图，并由此计算散射场电性能参数；(9)根据天线设计要求，判断在当前结构公差条件下稀疏排布阵列天线的散射场电性能是否满足要求，如果满足要求，那么当前的阵元位置安装精度和阵面平面度就是所要确定的稀疏排布阵列天线的结构公差；否则，更改阵列天线的稀疏排布方案，重复步骤(1)至步骤(8)，直到满足要求为止。...

【技术特征摘要】
1.面向辐射和散射的稀疏排布阵列天线结构公差的确定方法，包括下述步骤：(1)根据平面矩形栅格阵列天线的基本结构，确定天线的结构参数以及电磁参数，确定出稀疏排布阵列天线的稀疏排布矩阵，并给出该稀疏排布阵列天线的结构公差；(2)根据结构公差，针对稀疏排布阵列天线中每个阵元存在位置误差，将结构公差分配为稀疏阵面所在平面内即x向和y向阵元的位置安装精度，和阵元所在稀疏阵面法向即z向阵面平面度；(3)根据稀疏阵面的x向和y向阵元位置安装精度和z向阵面平面度，分别获取x向和y向阵元位置安装误差随机数和z向阵面平面度误差随机数；(4)利用x向和y向阵元的位置安装误差和z向阵面平面度误差，计算稀疏排布矩阵中相邻的两个辐射单元在目标处的辐射场空间相位差，进而得到稀疏排布阵列天线的辐射场口面相位误差；(5)结合稀疏排布阵列天线中天线单元的激励电流幅度相位、辐射单元方向图，计算稀疏排布阵列天线辐射场方向图；(6)根据稀疏排布阵列天线辐射场方向图，计算并分析天线增益相对于设计指标的恶化程度；(7)根据天线设计指标要求，判断当前结构公差条件下稀疏排布阵列天线的辐射场电性能是否满足要求，如果满足要求，则执行步骤(8)；否则，重新给定结构公差，重复步骤(2)至步骤(6)，直到满足要求为止；(8)根据当前的稀疏排布阵列天线的结构公差，计算散射场口面相位差，进而计算稀疏排布阵列天线散射场方向图，并由此计算散射场电性能参数；(9)根据天线设计要求，判断在当前结构公差条件下稀疏排布阵列天线的散射场电性能是否满足要求，如果满足要求，那么当前的阵元位置安装精度和阵面平面度就是所要确定的稀疏排布阵列天线的结构公差；否则，更改阵列天线的稀疏排布方案，重复步骤(1)至步骤(8)，直到满足要求为止。2.根据权利要求1所述的面向辐射和散射的稀疏排布阵列天线结构公差的确定方法，其特征在于步骤(1)天线的结构参数包括阵面辐射单元的行数M、列数N和阵元间距，电磁参数包括天线的工作频率fr及其工作波长λr，以及雷达照射该天线时的入射波频率fs和雷达照射该天线的入射波波长λs。3.根据权利要求1所述的面向辐射和散射的稀疏排布阵列天线结构公差的确定方法，其特征在于步骤(4)按如下过程进行：(4a)假设一个稀疏排布阵列天线，在其为满阵时共有M×N个天线单元按照等间距矩形栅格排列，天线单元在x向和y向的间距分别是dx和dy，目标相对于坐标系O-xyz所在的方向以方向余弦表示为(cosαx,cosαy,cosαz)，则目标相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系为：(4b)对于在满阵情况下的阵列天线，其第(m,n)个天线单元的设计坐标为(m·dx,n·dy,0)，由于存在结构公差使天线单元在阵面内x向和y向、和阵面法向z向的位置偏移量为(Δxmn,Δymn,Δzmn)，则第(m,n)个天线单元的实际坐标为(m·dx+Δxmn,n·dy+Δymn,Δzmn)，所以天线相邻两单元间在目标处(θ,φ)沿x轴、y轴和z轴的辐射场空间相位差分别为：其中，辐射场空间波常数kr＝2π/λr；λr为天线的工作波长，Δxm-1,n、Δym,n-1、Δzm-1,n-1分别为第(m-1,n)个天线单元的x向位置偏移量、第(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王从思，颜语喆，胡核算，许谦，周金柱，朱诚，王伟，宋立伟，段宝岩，平丽浩，袁帅，
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