一种振动变形对阵列天线电性能影响的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种振动变形对阵列天线电性能影响的预测方法，该方法包括：1）确定阵列天线几何模型文件；2）在ANSYS中构建其有限元模型；3）给定加速度功率谱，计算随机振动变形量，提取各个辐射单元位置偏移量；4）计算阵列天线方向图函数；5）判断是否满足设计要求。传统方法根据加速度功率谱分析天线结构强度是否满足要求，无法根据阵面变形误差确定电性能。本方法可以通过随机振动所导致偏移量实现对天线电性能预测；本方法更为简洁，可以将偏移量引入机电耦合模型计算电性能，不需要根据偏移量的变化重复电磁建模；利用本方法，分析振动对天线的影响，找出主要结构因素，以保证天线不被破坏并提高其工作状态下的电性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及天线
，具体是。
技术介绍
阵列天线技术是近年来正在发展的最新技术。阵列天线是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指 向，以达到波束扫描的目的。在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状。用机械方法旋转天线时，惯性大、速度慢，阵列天线克服了这一缺点，波束的扫描速度高。作为阵列天线中最为先进的有源相控阵天线，就具有阵列天线这一突出的特点。它的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度快(毫秒量级)，即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。以相扫替代机扫是有源相控阵天线的最大特点，这种无惯性的波束扫描，赋予有源相控阵天线许多卓越特性。在机载阵列天线实际工作时，由于飞机平台运动导致天线发生随机振动，进而引起阵面结构发生变形，最终必然导致天线电性能发生变化。在现有的研究中，机械方面主要集中在随机振动对天线结构力学性能影响的研究，而计算随机误差对天线电性能影响时，大多数学者认为天线的随机误差服从某种概率分布，并不能真实反应天线结构受随机振动影响所产生的误差。因此，有必要根据天线电性能的指标要求准确地提出对天线结构设计的要求以克服随机振动的影响。在进行阵列天线随机振动分析之后，掌握天线结构随机振动对天线电性能的影响。通过建立阵列天线结构设计与电磁设计之间相互影响、相互制约的关系，利用机电耦合方法来预测在机载振动影响下的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提供，该方法通过建立阵列天线的机电耦合模型，掌握阵列天线结构随机振动对阵列天线电性能的影响，以实现基于阵列天线机电两场耦合的电性能预测，用以指导其结构设计。本专利技术是通过以下述技术方案来实现的振动变形对阵列天线电性能影响的预测方法，该方法包括下述步骤I)根据阵列天线的结构参数以及材料属性，确定阵列天线的几何模型参数；2)在ANSYS中构建阵列天线的结构有限元模型；3)给定阵列天线结构有限元模型的约束条件和机载随机振动加速度功率谱，计算阵列天线随机振动变形量，分别提取阵列天线有限元模型的各个辐射单元中心节点在X, y, z方向上的位置偏移量；4)根据阵列天线有限元模型辐射单元中心节点位置偏移量，利用机电耦合模型，得到阵列天线方向图函数，并绘制阵列天线方向5)根据阵列天线的电性能指标要求，判断计算出的阵列天线电性能是否满足要求，如果满足要求，则阵列天线结构设计合格；否则，修改阵列天线的结构参数，并重复步骤I)到步骤4)，直至满足要求。所述步骤I)阵列天线的结构参数包括冷板、辐射单元、T/R组件以及阵面框架的参数。所述步骤I)阵列天线的材料属性包括弹性模量、泊松比以及密度。所述步骤3)阵列天线有限元模型的各个福射单元中心节点在X，y, z方向上的位置偏移量为(Axc^Ayci tl, Δζ0,0)……(Λ χ_ Λ y_ Λ zmn)，其中MXN个各个辐射单元按等间距矩形栅格阵排列，m为O M-I之间的自然数，代表阵列天线M列辐射单元的编号，η为O N-I之间的自然数，代表阵列天线N行辐射单元的编号。 所述步骤4)中计算阵列天线方向图函数按照下式进行4a)设阵列天线共有MXN个辐射单元按等间距矩形栅格阵排列，单元间横向和纵向的间距分别为dx与dy ;观察点P相对于直角坐标系xyz所在的方向(A以方向余弦表示为(cos α χ, cos a y, cos a z)，由此得到观察点P相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系 Icosorv = sin (9 cosr/ ICosor1. =Sin^Sinii cosa, = cos Θ4b)令按等间距矩形栅格阵排列的MXN个辐射单元中第(m，η)辐射单元在x，y, z方向上的位置偏移量为(Λχ_ Aynm, AZJ，第(0，0)辐射单元在x，y，z方向上的位置偏移量为(Axci^ Ay0j0, Λ Z(l, J，则第(m，n)辐射单元相对第(0，O)辐射单元的相位差Λ Φωη为Δ φ (mdx+ Δ χ - Δ χ。，。)cos a x+k (ndy+ Δ Δ y。,。)cos a y+k(Aznm-Az0；0)cosa ζ+βηιηfJ W式中，A=·+为阵列天线的波常数，λ为阵列天线的工作波长，是第(m，n)辐 A射单元的阵内相位差；4c)根据阵列天线叠加原理，由4b)得到阵列天线方向图函数为M-IN-IM-IN-XI P五(沒，炉)=Σ Σ Ee1 訓 exp jM>mn = YdYuEJnwQi^ljk /w<T+ Arwm-Ar00 cos a,m=Q n=Qm=0 n=0I L+ {fidy + Ay圆-Ay00) cos ay + (.Azmn — Az00) cos az + }βηη J式中，Ee为天线单元的方向图函数，Inm是单元激励电流。所述步骤4)绘制阵列天线方向图，从阵列天线方向图得到天线增益、E面副瓣电平、E面半功率波瓣宽度和E面波束指向偏移量，以及H面副瓣电平、H面半功率波瓣宽度和H面波束指向偏移量。本专利技术与现有技术相比，具有以下特点I.利用阵列天线的结构有限元模型进行有限元分析，确定阵列天线随机振动所导致的位置偏移量，进而实现对阵列天线电性能的预测。传统方法只能根据随机振动的加速度功率谱分析阵列天线的结构强度是否满足不被破坏的要求，无法根据随机振动引起的阵面变形误差来确定阵列天线在工作状态的电性能。相比传统方法，本方法可以通过随机振动所导致的位置偏移量实现对阵列天线的电性能的预测；2.该方法相比传统方法过程更为简捷，可以将所得到的随机振动位置偏移量直接引入机电耦合模型，从而计算出阵列天线的电性能，不需要根据随机振动位置偏移量的变化，重复对天线进行电磁建模以计算电性能；3.通过研究阵列天线的机电耦合问题，分析随机振动对天线工作性能的影响，可以找出其中主要结构因素并进行修正，不仅可以保障结构不被破坏，还可以在改善结构的基础上提高天线工作状态下的电性能。附图说明图I是本专利技术阵列天线机电耦合分析流程图。图2是阵列天线辐射单元排列示意图。图3观察点P相对于坐标系xyz的空间几何关系图。图4是有源相控阵天线几何模型图。图5是有源相控阵天线结构有限元模型图。图6有源相控阵天线随机振动加速度功率谱。图7有源相控阵天线随机振动时间历程样本。图8有源相控阵天线结构变形云图。图9 (a)半波阵子E面方向图。图9 (b)半波阵子H面方向图。图10 (a) E面变形前后的有源相控阵天线电性能比较图。图10 (b) H面变形前后的有源相控阵天线电性能比较图。具体实施例方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。参照图I所示，本专利技术振动变形对阵列天线电性能影响的预测方法，步骤如下步骤一，确定阵列天线的几何模型文件根据阵列天线的结构参数以及材料属性，确定阵列天线的几何模型参数，其中，阵列天线的结构参数包括冷板、辐射单元、T/R组件以及阵面框架的参数，阵列天线的材料属性包括弹性模量、泊松比以及密度。步骤二，在ANSYS中构建其有限元模型在ANSYS中构建其有限元模型，冷板以及T/R组件的结构单元类型为实体单元S0LID45，辐射单元以及阵面框架的结构单元类型为面单元SHELL本文档来自技高网...

【技术保护点】
振动变形对阵列天线电性能影响的预测方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：1）根据阵列天线的结构参数以及材料属性，确定阵列天线的几何模型参数；2）在ANSYS中构建阵列天线的结构有限元模型；3）给定阵列天线结构有限元模型的约束条件和机载随机振动加速度功率谱，计算阵列天线随机振动变形量，分别提取阵列天线有限元模型的各个辐射单元中心节点在x,y,z方向上的位置偏移量；4）根据阵列天线有限元模型辐射单元中心节点位置偏移量，利用机电耦合模型，得到阵列天线方向图函数，并绘制阵列天线方向图；5）根据阵列天线的电性能指标要求，判断计算出的阵列天线电性能是否满足要求，如果满足要求，则阵列天线结构设计合格；否则，修改阵列天线的结构参数，并重复步骤1）到步骤4），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，李兆，普涛，王伟，康明魁，王猛，段宝岩，黄进，保宏，王艳，宋立伟，李鹏，李娜，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：