本发明专利技术公开一种基于结构、电磁、热三场耦合的有源相控阵天线电性能预测方法，主要解决有源相控阵天线结构和热设计中机电热分离的问题。其过程是：基于有源相控阵天线结构和热设计参数，确定结构和Ｔ／Ｒ组件温度；根据温差载荷分析结果，进行天线有限元分析；得到天线热载荷与环境载荷下的结构变形，分析天线辐射单元的相位差；利用热分析结果，确定Ｔ／Ｒ组件激励电流的幅相误差；通过辐射单元相位差和激励电流幅相误差，得到天线的口径场幅相分布；利用口径场分布和阵面照射函数，计算天线远区电场方向图；得到天线电性能参数，实现有源相控阵天线的结构、电磁、热耦合分析。本发明专利技术可用于指导有源相控阵天线的结构设计、热设计及电性能耦合分析与评价。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于天线
，具体是一种平面有源相控阵天线电性能预测方法，用于指导有源相控阵天线的结构设计、热设计、电性能仿真分析与评价。
技术介绍
相控阵技术是近年来正在发展的新技术，它比单脉冲、脉冲多普勒等任何一种技术对雷达发展所带来的影响都要深刻和广泛。有源相控阵天线APAA技术能同时满足高性能、高生存能力要求，亦是降低雷达研制成本的重要途径。机载有源相控阵雷达APAR的成功应用是对传统机载雷达的一次革命，极大地扩展了雷达的应用领域和提高了雷达的工作性能，进而提高和丰富了作战飞机执行任务的能力和作战模式。APAR已经成为下一代火控雷达发展的必然趋势，是第四代战斗机的主要标志，也是提高我国国防实力的重要因素之一。 由于有源相控阵天线中的T/R组件和辐射单元总是存在精度超差现象，将直接影响天线副瓣电平、带宽等电性能指标。辐射面平面度的均方根误差时常超差，而平面度与天线的副瓣电平、波束指向、增益等电性能指标密切相关。天线中密布数百到数千个T/R组件，热功率非常高，发热量通常在kW量级，温度上升将会导致辐射腔体的变形与器件温度漂移，对电磁波传输产生影响，最终影响辐射单元的电磁指标。同时，由于APAA主要用于火控雷达，所以机载高速运动和振动产生的较大温差变化，将导致阵列天线的阵面变形，进而影响其定位精度，使弹着点产生较大偏差，最终丢失打击目标。另外，相控阵雷达工作环境因素也会导致天线结构发生变形。可见，APAA结构作为电磁信号传输的载体与边界条件，其位移场直接影响着电磁场幅度与相位的分布，同时，天线阵列的温度场也影响结构位移场的分布。也就是说，APAA结构设计、电磁设计、热设计之间存在着紧密的相互影响、相互制约的关系，属于多场耦合问题，称之为机电热耦合问题。 天线作为机电一体化系统，不仅其结构设计要满足强度和刚度要求，而且要通过热设计来降低热功耗的影响，但更为重要的是要最终实现满足指标要求的天线电性能。所以，应通过对APAA机电热耦合问题的研究，基于外部载荷的分析，确定天线结构因素与温度、电性能之间的影响关系，分析热设计对结构热变形的影响，以及结构变形与天线电性能之间的数学关系，以实现天线最佳综合设计。由于现有技术中无法确定APAA结构变形与热设计，以及结构变形与电性能之间的定量关系，导致目前APAA结构设计、热设计与电磁设计之间是分别单独进行的，这直接制约着我国国防下一代武器装备——第四代战斗机机载火控雷达的研制周期与成本。随着雷达天线向高频段、高增益，低副瓣、高性能，超宽带、高精度的方向发展，APAA的机电热耦合问题将更为突出。 目前，国内外解决有源相控阵天线机电热设计分离问题最常用的方法有如下几种 (1)从假设天线阵面结构变形的角度进行分析，多数采用概率的方法对阵列天线随机误差对相控阵天线性能的影响进行研究。如在H.S.C.Wang.Performance of phased-arrayantennas with mechanical errors.IEEE Trans.Aerospace and Electronic Systems，VOL.28，NO.2，April 1992中采用的就是假设结构变形方法。但这仅是假设天线结构误差符合某种分布情形，并没有根据结构有限元分析来研究实际情形下的结构误差对APAA电性能的影响。 (2)从综合角度对天线进行集成设计，用优化分析方法把热、结构、电磁的设计指标要求进行统一考虑，这种方法考虑了机电综合设计的好处。如在H.M.Adelman，S.L.Padula.Integrated thermal-structural-electromagnetic design optimization of large space antennareflectors.NASA-TM-87713，1986中所采用的方法就是这种综合优化方法。但该方法没有从根本上分析天线温度分布如何影响结构变形，以及结构变形又是如何影响天线电性能的，即不能在满足电性能指标前提下给出降低结构设计和热设计难度的方案。 (3)以工程设计为背景，研究相控阵天线系统的热设计方案，以及温度分布对天线电性能的影响。如在Masayuki Nakagawa，Eihisa Morikawa，Yoshisada Koyama.Development ofthermal control for phased array antenna.21st International Communications Satellite SystemsConference and Exhibit，April 15-19，2003，Yokohama，Japan，AIAA-2003-2226中对APAA热设计要求进行了分析。但这限于热设计方案与技术方面的研究，仅把阵面不平整度作为衡量标准，没有分析温度分布对结构变形的影响，及其对天线电性能的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有有源相控阵天线分析技术中往往忽视机械位移场、热场和电磁场之间的耦合关系，而单独考虑一个方面的影响，导致有源相控阵天线结构和热设计中机电热分离，提出一种基于机电热三场耦合的平面有源相控阵天线电性能预测方法，以实现有源相控阵天线三场耦合的电性能预测，可以指导其结构和热设计。 实现本专利技术目的的技术方案是，基于热分析得到有源相控阵天线热功耗导致的结构温度和热应变，再利用有限元分析得到热载荷与外载荷引起的结构位移，从而确定APAA阵面变形量，结合器件温度对其激励幅度相位的影响分析，再对辐射单元进行电磁分析，最终得到基于机电热耦合分析后的天线电性能。具体过程如下 (1)根据有源相控阵天线的结构参数，确定有源相控阵天线结构的有限元模型，得到阵面每一个辐射单元的理论坐标(x，y，0)； (2)利用热分析软件，建立有源相控阵天线的热分析模型，确定散热设计参数，并对该模型施加温度浸透、温度梯度，得到有源相控阵天线阵面辐射单元和T/R组件的温度分布T； (3)设定有源相控阵天线的参考温度T0，并将所述的阵面辐射单元和T/R组件的温度分布与该参考温度比较，确定该天线结构温差载荷FΔT； (4)利用有源相控阵天线结构的有限元模型和热分析模型，确定有源相控阵天线的约束条件和边界条件，根据温差载荷及风荷、重力两种环境载荷，确定该天线的全部等效载荷，得到包括阵面辐射单元的位置偏移量(Δx，Δy，Δz)在内的结构位移场； (5)根据阵面辐射单元的位置偏移，确定辐射单元的位置变化在远区目标处导致的空间相位误差 (6)根据有源相控阵天线T/R组件的温度分布，以及实验得到的T/R组件的温度电流曲线图，得到T/R组件激励电流的幅度变化量ΔI和相位变化量 (7)根据辐射单元位置偏移引起的相位误差 和激励电流的幅相变化量ΔI和 得到有源相控阵天线口径场幅度IA和相位 的分布； (8)利用辐射单元的单元方向图和阵面照射函数以及口径场幅相分布IA、 和天线阵面辐射单元的排列形式，计算有源相控阵天线的副瓣电平、波束指向和增益这些电性能参数； (9)根据有源相控阵天线的电性能指标要求本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于机电热三场耦合的有源相控阵天线电性能预测方法，包括如下过程： （１）根据有源相控阵天线的结构参数，确定有源相控阵天线结构的有限元模型，得到阵面每一个辐射单元的理论坐标（ｘ，ｙ，０）； （２）利用热分析软件，建立有源相控阵天线的热分析模型，确定散热设计参数，并对该模型施加温度浸透、温度梯度，得到有源相控阵天线阵面辐射单元和Ｔ／Ｒ组件的温度分布Ｔ； （３）设定有源相控阵天线的参考温度Ｔ↓［０］，并将所述的阵面辐射单元和Ｔ／Ｒ组件的温度分布与该参考温度比较，确定该天线结构温差载荷Ｆ↓［ΔＴ］； （４）利用有源相控阵天线结构的有限元模型和热分析模型，确定有源相控阵天线的约束条件和边界条件，根据温差载荷及风荷、重力两种环境载荷，确定该天线的全部等效载荷，得到包括阵面辐射单元的位置偏移量（Δｘ，Δｙ，Δｚ）在内的结构位移场； （５）根据阵面辐射单元的位置偏移，确定辐射单元的位置变化在远区目标处导致的空间相位误差Δφ； （６）根据有源相控阵天线Ｔ／Ｒ组件的温度分布，以及实验得到的Ｔ／Ｒ组件的温度电流曲线图，得到Ｔ／Ｒ组件激励电流的幅度变化量ΔＩ和相位变化量Δφ↑［Ｉ］； （７）根据辐射单元位置偏移引起的相位误差Δφ和激励电流的幅相变化量ΔＩ和Δφ↑［Ｉ］，得到有源相控阵天线口径场幅度Ｉ↑［Ａ］和相位φ↑［Ａ］的分布； （８）利用辐射单元的单元方向图和阵面照射函数以及口径场幅相分布Ｉ↑［Ａ］、φ↑［Ａ］，和天线阵面辐射单元的排列形式，计算有源相控阵天线的副瓣电平、波束指向和增益这些电性能参数； （９）根据有源相控阵天线的电性能指标要求，判断计算出的天线电性能参数是否满足要求，如果满足要求则天线结构设计和热设计合格；否则，修改结构设计参数和热设计参数，并重复步骤（１）至步骤（８），直至满足要求。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：段宝岩，王从思，李鹏，张福顺，朱敏波，郑飞，保宏，仇原鹰，王伟，冯昕罡，高慧莲，宋立伟，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]
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