基于机电耦合模型的变形对数周期天线电性能预测方法技术

本发明专利技术公开一种基于机电耦合模型的变形对数周期天线电性能预测方法，主要解决对数周期天线中机电分离的问题。其方法包括：基于对数周期天线的结构设计参数建立有限元模型，加载自重及随机风等环境载荷，并进行有限元分析，得到其结构位移场。利用该分析结果，得到对数周期天线中各振子单元的电流分布以及由于振子单元位置和偏转引起的相位差，根据叠加定理，计算天线远区电场方向图；得到天线电性能参数，实现对数周期天线的机电耦合分析。本发明专利技术可使对数周期天线结构设计人员提高天线设计与制造质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于天线
，具体是一种水平极化扇形对数周期天线阵列电性能预测方法，用于指导对数周期天线的结构设计和电性能仿真分析与评价。
技术介绍
对数周期偶极天线(LOG-PERIODIC DIPOLE ARRAYS)简称LPDA，是一种结构简单、 性能优良的极宽频带天线，它主要应用于短波、超短波、微波等波段的通信、测向、搜索、电子对抗等方面，用途广泛。简单举例在短波波段，它可作为利用天波传播的通信天线或测向天线；在超短波段，它可作为电视共用天线系统的理想接收天线或宽带通信、电子对抗天线等；在微波波段，它常作为抛物面反射器、角形反射器天线或透镜天线的馈源、以及相控阵天线中的辐射单元或超宽带通信的通信天线。由于它的宽带特性，常被用作电磁干扰、电磁兼容、缩距测试场及其它测试实验用天线。在实际的应用中，为了增强天线的方向性，以及获得更高的发射功率，大都是采用将对数周期天线进行组阵的方法。首先，阵列天线在空间上可以实现方向上的电扫描能力，并使用多波束技术，从而实现真正的多目标干扰能力； 其次使用阵列天线，在最优激励下实现空间功率合成，从而解决单个功放输出功率的限制。对于车载对数周期天线而言，除受到安装精度影响外，还受到自身的重力载荷、车载环境中的振动、随机风荷的作用。这些因素导致的变形会使集合线长度和振子单元位置及自身形状发生变化，从而使得各振子单元的电流分布改变，影响天线远场方向图，降低天线的增益，破坏对数周期天线的非频变特性。因此，有必要根据电性能的变化情况提出对天线结构设计的要求。也就是说，LPDA结构设计与电磁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，称之为机电耦合问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有对数周期偶极天线分析技术中往往忽视机械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LPDA结构和热设计中机电分离。为此，本专利技术提出了一种，以实现对数周期天线机电两场耦合的电性能预测，用以指导其结构设计。实现本专利技术目的的技术方案是，提供一种，基于有限元分析得到对数周期天线在自重及随机风等环境载荷作用下引起的结构位移，从而确定各振子单元的位置及自身变形，利用网络理论得到各振子单元激励电流的幅度和相位，再对各单元的辐射远场应用叠加定理，最终得到基于机电耦合分析后的天线电性能。该方法包括下述步骤(1)根据对数周期天线的结构参数，确定其结构有限元模型，得到每个振子单元各节点的理论坐标产，兄0 ；(2)利用对数周期天线的有限元模型，确定其约束条件和边界条件，根据重力、风荷两种环境载荷，确定该天线的全部等效载荷，得到包括每个振子单元各节点的位置偏移量> ，0，e在内的结构位移场；(3)由振子单元各节点的理论坐标产，兄0加上振子单元各节点的位置偏移量 > ，守，G得到变形后的位置坐标(XTBd ；(4)根据振子单元中心节点的位置，计算各段集合线的长度，根据网络理论计算出各振子单元中心馈电点的电流分布；(5)根据振子单元的位置及转角，确定辐射单元位置变化在远区目标处导致的空间相位误差(6)利用振子单元的单元方向图和其电流分布以及辐射场的相位分布，加上辐射单元的排列形式，计算对数周期天线远场方向图、波束指向和3dB波束宽度这些电性能参数；(7)根据对数周期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合格；否则，修改结构设计参数，并重复步骤(1)至步骤(6)，直至满足要求。本专利技术进一步的特征在于所述步骤( 确定辐射单元的相位差，按如下过程进行(5a)设定目标相对于坐标系O「xp所在的方向#，0以方向余弦表示为 Vcosa-cosS'cosa^，并根据目标与坐标系的空间几何关系，得到目标相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系为COsax sin 0 cos ^cosaj sin0sin0,COsaz cos θ ；式中，各个参数分别为目标相对于坐标系O「x_yz所在的方向#，0的方向正弦和方向余弦；(5b)根据步骤(3)中得出的振子单元中心节点的变形后的位置坐标(X7J7Z…得出该点距原点的距离《 ▲』W ；(5c)根据振子单元上下两节点的位置(邬烁功和( ; , )确定振子的偏转角，对X轴上方单元啾◎arctai^^^pQO，对x轴下方单元啾 arctan^iLpiI)*「90 ；8 χπ ι xH (8 xn I ((5d)由几何关系得出，振子单元中心节点与原点的连线应和X轴的方位夹角叽与振子自身转角仍相等；(5e)由以上各子步计算辐射单元位置变化在远区目标处空间相位差U卩对于水平极化扇形对数周期天线阵列，其每个辐射单元对于第Aq单元的相位差为 ka sin θ cos(^)「仍)。所述步骤(6)，按如下过程进行(6a)确定辐射单元的单元方向图函数乓^，0，设振子单元长度为21i，则其单元方向图函数为权利要求1.一种，其特征在于包括如下过程(1)根据对数周期天线的结构参数，确定其结构有限元模型，得到每个振子单元各节点的理论坐标(x, y，0)；(2)利用对数周期天线的有限元模型，确定其约束条件和边界条件，根据重力、风荷两种环境载荷，确定该天线的全部等效载荷，得到包括每个振子单元各节点的位置偏移量 (Δχ, Δγ, Δζ)在内的结构位移场；(3)由振子单元各节点的理论坐标(X，y，0)加上振子单元各节点的位置偏移量(Δχ， Δγ, Δ ζ)，得到变形后的位置坐标(χ'，y'，ζ')；(4)根据振子单元中心节点的位置，计算各段集合线的长度，根据网络理论计算出各振子单元中心馈电点的电流分布；(5)根据振子单元的位置及转角，确定辐射单元位置变化在远区目标处导致的空间相位误差(6)利用振子单元的单元方向图和其电流分布以及辐射场的相位分布，加上辐射单元的排列形式，计算对数周期天线远场方向图、波束指向和3dB波束宽度电性能参数；(7)根据对数周期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合格；否则，修改结构设计参数，并重复步骤(1)至步骤 (6)，直至满足要求。2.根据权利要求1所述的天线电性能预测方法，其特征在于所述步骤( 确定辐射单元的相位差，按如下过程进行(5a)设定目标相对于坐标系0-xyz所在的方向(θ，φ)以方向余弦表示为(cos α χ， cos α y，cos α z)，并根据目标与坐标系的空间几何关系，得到目标相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系为cos α x = sin θ cos Φ，cos α y = sin θ sin Φ，cos α ζ = cos θ ；式中，各个参数含义分别为目标相对于坐标系Ο-xyz所在的方向(θ，φ)的方向正弦和方向余弦；(5b)根据步骤(3)中得出的振子单元中心节点的变形后的位置坐标(χ'，y'，ζ')， 得出该点距原点的距离α = ^x'2 + /2 + ζ'2 ；(5c)根据振子单元上下两节点的位置(x' n,r η, ζ' η)和(x' i2, y' i2，ζ' i2)确定振子的偏转角，对X轴上方单元观=arCtan ^31 +90，对X轴下方单元V Xil 一 Xi2 J(y' -y') φι = arctan 力,1本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于机电耦合模型的变形对数周期天线电性能预测方法，其特征在于包括如下过程：（１）根据对数周期天线的结构参数，确定其结构有限元模型，得到每个振子单元各节点的理论坐标（ｘ，ｙ，０）；（２）利用对数周期天线的有限元模型，确定其约束条件和边界条件，根据重力、风荷两种环境载荷，确定该天线的全部等效载荷，得到包括每个振子单元各节点的位置偏移量（Δｘ，Δｙ，Δｚ）在内的结构位移场；（３）由振子单元各节点的理论坐标（ｘ，ｙ，０）加上振子单元各节点的位置偏移量（Δｘ，Δｙ，Δｚ），得到变形后的位置坐标（ｘ′，ｙ′，ｚ′）；（４）根据振子单元中心节点的位置，计算各段集合线的长度，根据网络理论计算出各振子单元中心馈电点的电流分布；（５）根据振子单元的位置及转角，确定辐射单元位置变化在远区目标处导致的空间相位误差（６）利用振子单元的单元方向图和其电流分布以及辐射场的相位分布，加上辐射单元的排列形式，计算对数周期天线远场方向图、波束指向和３ｄＢ波束宽度电性能参数；（７）根据对数周期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合格；否则，修改结构设计参数，并重复步骤（１）至步骤（６），直至满足要求。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王从思，王猛，段宝岩，保宏，黄进，徐慧娟，吕晓方，李兆，朱敏波，陈光达，米建伟，王伟，
申请(专利权)人：王从思，
类型：发明
国别省市：87