基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构公差快速确定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构公差的快速确定方法，包括：确定圆柱共形阵列天线的结构参数和电磁工作参数；分别给出初始阵元周向和轴向位置公差，确定阵面内所有阵元的周向和轴向位置误差随机量；计算存在误差时的阵元新位置；建立阵元直角坐标系和阵元球坐标系并计算阵元和阵列直角坐标系下的阵元方向图；根据口面加权分布确定阵元激励幅度和相位；计算每个阵元在目标处的空间相位差；利用圆柱共形阵列天线机电耦合模型计算存在误差时的天线电性能参数；判断该结构公差条件下的天线电性能是否满足要求。本发明专利技术有效解决了圆柱共形阵列天线结构方案快速确定与分配天线结构公差的问题，可用于指导天线结构方案的评价。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达天线
，具体涉及一种基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构公差的快速确定方法，可用于指导圆柱共形阵列天线结构公差的快速确定及结构方案的评价。
技术介绍
共形阵列天线是一种与物体外形保持一致的天线，其具有节省载体的结构空间、不影响载体的空气动力学性能，减小雷达的散射截面积等优点，已经广泛应用于航空航天领域，其中圆柱共形阵列天线是最常见的共形天线形式，已经被广泛应用于各种雷达系统中。随着世界军事技术的发展，对共形阵列天线的战术、技术指标要求也越来越高，其中共形天线的口径、增益、副瓣电平、波束指向等电性能与其有着密切的关系，很大程度上决定了共形阵列天线的性能。而共形阵列天线的电性能不仅取决于馈电系统的幅度相位误差，更易受到阵元周向位置误差与阵元轴向位置误差的影响，而这又受制于共形阵列天线的结构设计。共形阵列天线阵面的加工安装会导致阵面产生随机误差，使阵元位置产生误差；另外，由于共形阵列天线复杂工作环境会导致共形阵列天线在工作状态下发生结构变形，也会引起阵元位置误差，例如机载天线在飞行中会带来振动激励。可见，共形阵列天线的加工安装及环境载荷导致阵面结构误差，都将会导致天线阵元的位置发生变化，以致引起天线的副瓣电平、增益、波束指向发生改变等问题，严重影响天线电性能。为此，如何根据天线电性能指标要求，快速确定天线结构公差，进行结构设计，并评估结构方案，是研制高性能共形阵列天线过程中必然会遇到的一个难题。目前，解决该难题通常有以下几种做法：(1)利用高频近似方法进行求解，如SchippersH,SpallutoG,VosG.Radiationanalysisofconformalphasedarrayantennasondistortedstructures[J].2003.中利用这种方法分析环境载荷下的共形阵列天线的辐射特性。但使用高频近似方法求解时，需计算曲面上的爬行绕射波，为此必须先确定绕射线的轨迹，公式计算复杂，而且曲面必须是光滑和电大尺寸，当天线单元数目过多时，利用此算法，很难求解出存在误差时共形阵列天线的辐射性能。(2)推导了圆柱共形线阵天线存在轴向位置误差时天线的方向图计算公式。这种方法将圆柱共形线阵天线当做平面阵列天线来处理，当圆柱共形天线存在轴向位置误差时，只影响阵元空间相位差，波束指向不发生改变。这种方法并未对圆柱共形阵列天线周向位置误差进行分析。(3)加工共形阵列天线样件，根据实测电性能结果，多次修改方案以确定结构公差。这种方法导致共形阵列天线的设计周期严重延长，成本大大增加，不能满足目前我国雷达快速研制的需求。因此，有必要深入研究共形阵列天线结构与电磁之间的耦合关系以准确确定满足天线电性能指标的结构公差。
技术实现思路
基于上述问题，本专利技术提供一种基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构公差的快速确定方法，以便有效解决在圆柱共形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，可用于指导圆柱共形阵列天线阵元轴向位置误差和周向位置误差的制定与分配，以及圆柱共形阵列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，一种基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构公差的快速确定方法，该方法包括下述步骤：(1)确定圆柱共形阵列天线的结构参数和电磁工作参数；(2)给出初始阵元周向位置公差，确定阵面内所有阵元的周向位置误差随机量；(3)给出初始阵元轴向位置公差，确定阵面内所有阵元的轴向位置误差随机量；(4)基于阵元的初始位置，结合每个阵元的周向、轴向位置误差随机量，确定存在误差时阵元的新位置；(5)根据存在误差时阵元的新位置，建立阵元直角坐标系及阵元球坐标系；(6)计算阵元直角坐标系下的阵元方向图；(7)计算阵列直角坐标系下的阵元方向图；(8)根据存在误差时阵元的新位置的口面加权分布，确定阵元激励幅度和相位；(9)结合圆柱共形阵列天线相位参考点的位置和存在误差时阵元的新位置，计算每个阵元在目标处的空间相位差；(10)利用圆柱共形阵列天线机电耦合模型，计算存在周向、轴向位置误差时圆柱共形阵列天线的方向图；根据圆柱共形阵列天线的方向图，计算天线电性能参数，并分析电性能相对圆柱共形阵列天线设计指标的恶化程度；(11)根据天线设计要求，判断该结构公差条件下的天线电性能是否满足要求，如果满足要求，则当前阵元的周向位置公差和轴向位置公差就是所快速确定的结构公差；否则，修改阵元周向、轴向位置公差，并重复步骤(2)至步骤(11)，直至满足要求。所述步骤(1)确定圆柱共形阵列天线的结构参数和电磁工作参数，包括下述步骤：(1a)确定圆柱共形阵列天线的圆柱半径r，阵面内阵元的周向行数M、轴向列数N、相邻阵元在周向的圆心角γ和轴向的间距dz，以及阵元的结构参数、工作频率f；(1b)将阵面内阵元按照周向行、轴向列的顺序编号为(m,n)，其中m为1～M之间的整数，代表圆柱共形阵列天线第M行阵元的编号，n为1～N之间的整数，代表圆柱共形阵列天线第N列阵元的编号。所述步骤(2)给出初始阵元周向位置公差，确定阵面内所有阵元的周向位置误差的随机量，包括下述步骤：(2a)阵面内阵元周向位置分布着一个均值为0，标准差为σd的正态分布随机误差，给出初始的阵元周向位置公差，即σd为λ/16，λ为工作波长；(2b)根据初始的阵元周向位置公差，利用MATLAB随机生成一组均值为0、标准差为λ/16的阵元周向位置误差随机量Δdmn；所述步骤(3)给出初始阵元轴向位置公差，确定阵面内所有阵元的轴向位置误差的随机量，包括下述步骤：(3a)阵面内阵元轴向位置分布着一个均值为0，标准差为σz的正态分布随机误差，给出初始的阵元轴向位置公差，即σz为λ/4；(3b)根据初始的阵元轴向位置公差，利用MATLAB生成随机一组均值为0，标准差为λ/4的阵元轴向位置误差随机量Δzmn。所述步骤(4)中计算存在误差时阵元的新位置，包括下述步骤：(4a)设阵面内(m,n)个阵元的设计坐标为(xmn,ymn,zmn)，阵元的局部外法线方向与x轴的夹角为γmn，其中，xmn＝r·cosγmn，ymn＝r·sinγmn，可知：xmn=r·cosγmnymn=r·sinγmnzmn=zmn]]>式中，r为圆柱半径；(4b)结合阵元的周向位置误差Δdmn和轴向位置误差Δzmn，周向弧长Δdmn对应的圆心角为可知存在误差时的阵元新位置(x，mn,y，mn,z本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构公差的快速确定方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)确定圆柱共形阵列天线的结构参数和电磁工作参数；(2)给出初始阵元周向位置公差，确定阵面内所有阵元的周向位置误差随机量；(3)给出初始阵元轴向位置公差，确定阵面内所有阵元的轴向位置误差随机量；(4)基于阵元的初始位置，结合每个阵元的周向、轴向位置误差随机量，确定存在误差时阵元的新位置；(5)根据存在误差时阵元的新位置，建立阵元直角坐标系及阵元球坐标系；(6)计算阵元直角坐标系下的阵元方向图；(7)计算阵列直角坐标系下的阵元方向图；(8)根据存在误差时阵元的新位置的口面加权分布，确定阵元激励幅度和相位；(9)结合圆柱共形阵列天线相位参考点的位置和存在误差时阵元的新位置，计算每个阵元在目标处的空间相位差；(10)利用圆柱共形阵列天线机电耦合模型，计算存在周向、轴向位置误差时圆柱共形阵列天线的方向图；根据圆柱共形阵列天线的方向图，计算天线电性能参数，并分析电性能相对圆柱共形阵列天线设计指标的恶化程度；(11)根据天线设计要求，判断该结构公差条件下的天线电性能是否满足要求，如果满足要求，则当前阵元的周向位置公差和轴向位置公差就是所快速确定的结构公差；否则，修改阵元周向、轴向位置公差，并重复步骤(2)至步骤(11)，直至满足要求。...

【技术特征摘要】
1.基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构公差的快速确定方法，其特征在于，包括下
述步骤：
(1)确定圆柱共形阵列天线的结构参数和电磁工作参数；
(2)给出初始阵元周向位置公差，确定阵面内所有阵元的周向位置误差随机量；
(3)给出初始阵元轴向位置公差，确定阵面内所有阵元的轴向位置误差随机量；
(4)基于阵元的初始位置，结合每个阵元的周向、轴向位置误差随机量，确定存在误差
时阵元的新位置；
(5)根据存在误差时阵元的新位置，建立阵元直角坐标系及阵元球坐标系；
(6)计算阵元直角坐标系下的阵元方向图；
(7)计算阵列直角坐标系下的阵元方向图；
(8)根据存在误差时阵元的新位置的口面加权分布，确定阵元激励幅度和相位；
(9)结合圆柱共形阵列天线相位参考点的位置和存在误差时阵元的新位置，计算每个
阵元在目标处的空间相位差；
(10)利用圆柱共形阵列天线机电耦合模型，计算存在周向、轴向位置误差时圆柱共形
阵列天线的方向图；根据圆柱共形阵列天线的方向图，计算天线电性能参数，并分析电性能
相对圆柱共形阵列天线设计指标的恶化程度；
(11)根据天线设计要求，判断该结构公差条件下的天线电性能是否满足要求，如果满
足要求，则当前阵元的周向位置公差和轴向位置公差就是所快速确定的结构公差；否则，修
改阵元周向、轴向位置公差，并重复步骤(2)至步骤(11)，直至满足要求。
2.根据权利要求1所述的基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构公差的快速确定方
法，其特征在于，所述步骤(1)按如下过程进行：
(1a)确定圆柱共形阵列天线的圆柱半径r，阵面内阵元的周向行数M、轴向列数N、相邻
阵元在周向的圆心角γ和轴向的间距dz，以及阵元的结构参数、工作频率f；
(1b)将阵面内阵元按照周向行、轴向列的顺序编号为(m,n)，其中m为1～M之间的整数，
代表圆柱共形阵列天线第M行阵元的编号，n为1～N之间的整数，代表圆柱共形阵列天线第N
列阵元的编号。
3.根据权利要求1所述的基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构公差的快速确定方
法，其特征在于，所述步骤(2)按如下过程进行：
(2a)阵面内阵元周向位置分布着一个均值为0，标准差为σd的正态分布随机误差，给出
初始的阵元周向位置公差，即σd为λ/16，λ为工作波长；
(2b)根据初始的阵元周向位置公差，利用MATLAB随机生成一组均值为0、标准差为λ/16
的阵元周向位置误差随机量Δdmn；
所述步骤(3)中：
(3a)阵面内阵元轴向位置分布着一个均值为0，标准差为σz的正态分布随机误差，给出
初始的阵元轴向位置公差，即σz为λ/4；
(3b)根据初始的阵元轴向位置公差，利用MATLAB生成随机一组均值为0，标准差为λ/4
的阵元轴向位置误差随机量Δzmn。
4.根据权利要求1所述的基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构公差的快速确定方
法，其特征在于，所述步骤(4)按如下过程进行：
(4a)设阵面内(m,n)个阵元的设计坐标为(xmn,ymn,zmn)，阵元的局部外法线方向与x轴
的夹角为γmn，其中，xmn＝r·cosγmn，ymn＝r·sinγmn，可知：
xmn=r·cosγmnymn=r·sinγmnzmn=zmn]]>式中，r为圆柱半径；
(4b)结合阵元的周向位置误差Δdmn和轴向位置误差Δzmn，周向弧长Δdmn对应的圆心
角为可知存在误差时的阵元新位置(x’mn,y’mn,z’mn)：
xmn′=r·cos(γmn+Δdmnr)ymn′=r·sin(γmn+Δdmnr)zmn′=zmn+Δzmn.]]>5.根据权利要求1所述的基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构公差的快速确定方
法，其特征在于，所述步骤(5)按如下过程进行：
(5a)根据存在误差时的阵元新位置，建立阵元直角坐标系O′mn是存在
误差时第(m,n)个阵元的相位中心，轴的正方向为存在误差时该阵元放置的曲面局部外
法线方向，轴与z轴方向相同，与天线单元平面相切；
(5b)根据建立的阵元直角坐标系，建立阵元球坐标系的方向矢量其中
正方向为Omn′指向任意一点的矢径，正方向为轴正向向下看轴逆时针旋转
到该矢径在面的投影的切线方向，正方向为轴顺时针旋转到该矢径的切
线方向。
6.根据权利要求1所述的基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构公差的快速确定方
法，其特征在于，所述步骤(6)按如下过程进行：
(6a)根据球坐标系与直角坐标系的变换关系，可以得到阵元球坐标系的方向矢量
到阵元直角坐标系的方向矢量的转换矩阵：
x^mne′y^mne′z^mne′=sinθmne′cosφmne′cosθmne′cosφmne′-sinφmne′sinθmne′sinφmne′cosθmne′sinφmne′cosφmne′cosθmne′-sinθmne′0·R^mne′θ^mne′φ^mne′=Tstce′·R^mne′θ^mne′φ^mne′]]>式中，为阵元球坐标系到阵元直角坐标系之间的转换矩阵；
(6b)根据阵元结构参数，可得存在误差时的阵元在其阵元球坐标系下的方向图：
fmne′(θmne′,φmne′)=fmnθe′(θmne′,φmne′)θ^mne′+fmnφe′(θmne′,φmne′)φ^mne′]]>式中，和为阵元方向图在阵元球坐标系和方向的分量；
(6c)结合阵元球坐标系的方向矢量与阵元直角坐标系的方向矢量
的转换矩阵和存在误差时的阵元在其阵元球坐标系下的方向图，可得存
在误差时的阵元在其阵元直角坐标系下的阵元方向图：
fmnxe′(θmne′,φmne′)fmnye′(θmne′,φmne′)fmnze′(θmne′,φmne′)=Tstce′·0fmnθe′(θmne′,φmne′)fmnφe′(θmne′,φmne′)]]>fmne′(θmne′,φmne′)=fmnxe′(θmne′,φmne′)x^mne′+fmnye′(θmne′,φmne′)y^m...

【专利技术属性】
技术研发人员：王从思，薛敏，康明魁，王艳，李鹏，李娜，杜敬利，黄进，毛静，王志海，王璐，邱颖霞，
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