專利名稱：基于機(jī)電熱三場(chǎng)耦合的有源相控陣天線電性能預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種平面有源相控陣天線電性能預(yù)測(cè)方法，用于指導(dǎo)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電性能仿真分析與評(píng)價(jià)。

背景技術(shù)：
相控陣技術(shù)是近年來(lái)正在發(fā)展的新技術(shù)，它比單脈沖、脈沖多普勒等任何一種技術(shù)對(duì)雷達(dá)發(fā)展所帶來(lái)的影響都要深刻和廣泛。有源相控陣天線APAA技術(shù)能同時(shí)滿足高性能、高生存能力要求，亦是降低雷達(dá)研制成本的重要途徑。機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)APAR的成功應(yīng)用是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)載雷達(dá)的一次革命，極大地?cái)U(kuò)展了雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域和提高了雷達(dá)的工作性能，進(jìn)而提高和豐富了作戰(zhàn)飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)的能力和作戰(zhàn)模式。APAR已經(jīng)成為下一代火控雷達(dá)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是第四代戰(zhàn)斗機(jī)的主要標(biāo)志，也是提高我國(guó)國(guó)防實(shí)力的重要因素之一。
由于有源相控陣天線中的T/R組件和輻射單元總是存在精度超差現(xiàn)象，將直接影響天線副瓣電平、帶寬等電性能指標(biāo)。輻射面平面度的均方根誤差時(shí)常超差，而平面度與天線的副瓣電平、波束指向、增益等電性能指標(biāo)密切相關(guān)。天線中密布數(shù)百到數(shù)千個(gè)T/R組件，熱功率非常高，發(fā)熱量通常在kW量級(jí)，溫度上升將會(huì)導(dǎo)致輻射腔體的變形與器件溫度漂移，對(duì)電磁波傳輸產(chǎn)生影響，最終影響輻射單元的電磁指標(biāo)。同時(shí)，由于APAA主要用于火控雷達(dá)，所以機(jī)載高速運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)產(chǎn)生的較大溫差變化，將導(dǎo)致陣列天線的陣面變形，進(jìn)而影響其定位精度，使彈著點(diǎn)產(chǎn)生較大偏差，最終丟失打擊目標(biāo)。另外，相控陣?yán)走_(dá)工作環(huán)境因素也會(huì)導(dǎo)致天線結(jié)構(gòu)發(fā)生變形?？梢?jiàn)，APAA結(jié)構(gòu)作為電磁信號(hào)傳輸?shù)妮d體與邊界條件，其位移場(chǎng)直接影響著電磁場(chǎng)幅度與相位的分布，同時(shí)，天線陣列的溫度場(chǎng)也影響結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)的分布。也就是說(shuō)，APAA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)之間存在著緊密的相互影響、相互制約的關(guān)系，屬于多場(chǎng)耦合問(wèn)題，稱之為機(jī)電熱耦合問(wèn)題。
天線作為機(jī)電一體化系統(tǒng)，不僅其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足強(qiáng)度和剛度要求，而且要通過(guò)熱設(shè)計(jì)來(lái)降低熱功耗的影響，但更為重要的是要最終實(shí)現(xiàn)滿足指標(biāo)要求的天線電性能。所以，應(yīng)通過(guò)對(duì)APAA機(jī)電熱耦合問(wèn)題的研究，基于外部載荷的分析，確定天線結(jié)構(gòu)因素與溫度、電性能之間的影響關(guān)系，分析熱設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)熱變形的影響，以及結(jié)構(gòu)變形與天線電性能之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)天線最佳綜合設(shè)計(jì)。由于現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法確定APAA結(jié)構(gòu)變形與熱設(shè)計(jì)，以及結(jié)構(gòu)變形與電性能之間的定量關(guān)系，導(dǎo)致目前APAA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)與電磁設(shè)計(jì)之間是分別單獨(dú)進(jìn)行的，這直接制約著我國(guó)國(guó)防下一代武器裝備——第四代戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)載火控雷達(dá)的研制周期與成本。隨著雷達(dá)天線向高頻段、高增益，低副瓣、高性能，超寬帶、高精度的方向發(fā)展，APAA的機(jī)電熱耦合問(wèn)題將更為突出。
目前，國(guó)內(nèi)外解決有源相控陣天線機(jī)電熱設(shè)計(jì)分離問(wèn)題最常用的方法有如下幾種 (1)從假設(shè)天線陣面結(jié)構(gòu)變形的角度進(jìn)行分析，多數(shù)采用概率的方法對(duì)陣列天線隨機(jī)誤差對(duì)相控陣天線性能的影響進(jìn)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中采用的就是假設(shè)結(jié)構(gòu)變形方法。但這僅是假設(shè)天線結(jié)構(gòu)誤差符合某種分布情形，并沒(méi)有根據(jù)結(jié)構(gòu)有限元分析來(lái)研究實(shí)際情形下的結(jié)構(gòu)誤差對(duì)APAA電性能的影響。
(2)從綜合角度對(duì)天線進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，用優(yōu)化分析方法把熱、結(jié)構(gòu)、電磁的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求進(jìn)行統(tǒng)一考慮，這種方法考慮了機(jī)電綜合設(shè)計(jì)的好處。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這種綜合優(yōu)化方法。但該方法沒(méi)有從根本上分析天線溫度分布如何影響結(jié)構(gòu)變形，以及結(jié)構(gòu)變形又是如何影響天線電性能的，即不能在滿足電性能指標(biāo)前提下給出降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)難度的方案。
(3)以工程設(shè)計(jì)為背景，研究相控陣天線系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方案，以及溫度分布對(duì)天線電性能的影響。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中對(duì)APAA熱設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了分析。但這限于熱設(shè)計(jì)方案與技術(shù)方面的研究，僅把陣面不平整度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有分析溫度分布對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響，及其對(duì)天線電性能的影響。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有有源相控陣天線分析技術(shù)中往往忽視機(jī)械位移場(chǎng)、熱場(chǎng)和電磁場(chǎng)之間的耦合關(guān)系，而單獨(dú)考慮一個(gè)方面的影響，導(dǎo)致有源相控陣天線結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)中機(jī)電熱分離，提出一種基于機(jī)電熱三場(chǎng)耦合的平面有源相控陣天線電性能預(yù)測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)有源相控陣天線三場(chǎng)耦合的電性能預(yù)測(cè)，可以指導(dǎo)其結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是，基于熱分析得到有源相控陣天線熱功耗導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)溫度和熱應(yīng)變，再利用有限元分析得到熱載荷與外載荷引起的結(jié)構(gòu)位移，從而確定APAA陣面變形量，結(jié)合器件溫度對(duì)其激勵(lì)幅度相位的影響分析，再對(duì)輻射單元進(jìn)行電磁分析，最終得到基于機(jī)電熱耦合分析后的天線電性能。具體過(guò)程如下 (1)根據(jù)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定有源相控陣天線結(jié)構(gòu)的有限元模型，得到陣面每一個(gè)輻射單元的理論坐標(biāo)(x，y，0)； (2)利用熱分析軟件，建立有源相控陣天線的熱分析模型，確定散熱設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)該模型施加溫度浸透、溫度梯度，得到有源相控陣天線陣面輻射單元和T/R組件的溫度分布T； (3)設(shè)定有源相控陣天線的參考溫度T0，并將所述的陣面輻射單元和T/R組件的溫度分布與該參考溫度比較，確定該天線結(jié)構(gòu)溫差載荷FΔT； (4)利用有源相控陣天線結(jié)構(gòu)的有限元模型和熱分析模型，確定有源相控陣天線的約束條件和邊界條件，根據(jù)溫差載荷及風(fēng)荷、重力兩種環(huán)境載荷，確定該天線的全部等效載荷，得到包括陣面輻射單元的位置偏移量(Δx，Δy，Δz)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)； (5)根據(jù)陣面輻射單元的位置偏移，確定輻射單元的位置變化在遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)處導(dǎo)致的空間相位誤差
(6)根據(jù)有源相控陣天線T/R組件的溫度分布，以及實(shí)驗(yàn)得到的T/R組件的溫度電流曲線圖，得到T/R組件激勵(lì)電流的幅度變化量ΔI和相位變化量
(7)根據(jù)輻射單元位置偏移引起的相位誤差

和激勵(lì)電流的幅相變化量ΔI和

得到有源相控陣天線口徑場(chǎng)幅度IA和相位

的分布； (8)利用輻射單元的單元方向圖和陣面照射函數(shù)以及口徑場(chǎng)幅相分布IA、

和天線陣面輻射單元的排列形式，計(jì)算有源相控陣天線的副瓣電平、波束指向和增益這些電性能參數(shù)； (9)根據(jù)有源相控陣天線的電性能指標(biāo)要求，判斷計(jì)算出的天線電性能參數(shù)是否滿足要求，如果滿足要求則天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)合格；否則，修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和熱設(shè)計(jì)參數(shù)，并重復(fù)步驟(1)至步驟(8)，直至滿足要求。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn) 1.利用APAA熱分析模型，準(zhǔn)確得到APAA結(jié)構(gòu)的溫度分布，通過(guò)利用有限元分析，確定由熱源和外部環(huán)境載荷導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形，可準(zhǔn)確分析載荷對(duì)APAA結(jié)構(gòu)的影響； 2.由于將輻射單元位置偏移量引入到天線口徑面的相位誤差中，使APAA結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)與電磁場(chǎng)緊密聯(lián)系，因而避免了使用陣面不平整度或陣面溫度最大值來(lái)判斷天線性能的不足，并將溫度對(duì)T/R組件性能的影響引入到APAA電性能計(jì)算中，可實(shí)現(xiàn)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)、電磁、熱三場(chǎng)耦合分析； 3.通過(guò)將耦合分析的電性能參數(shù)與工作指標(biāo)要求對(duì)比，可以判斷APAA結(jié)構(gòu)方案的合理性及其對(duì)電性能的影響，避免了憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行APAA設(shè)計(jì)，可以縮短APAA研制周期，降低其研制成本。



圖1是本發(fā)明有源相控陣天線機(jī)電熱耦合分析流程圖； 圖2是本發(fā)明有源相控陣天線溫差載荷計(jì)算流程圖； 圖3是本發(fā)明輻射單元相位差計(jì)算流程圖； 圖4是本發(fā)明有源相控陣天線電性能參數(shù)計(jì)算流程圖； 圖5是目標(biāo)與坐標(biāo)系的空間幾何關(guān)系的示意圖； 圖6是有源相控陣天線T/R組件溫度電流曲線圖； 圖7是本發(fā)明仿真所用的平面六邊形有源相控陣天線結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是本發(fā)明仿真所用的T/R組件排列結(jié)構(gòu)示意圖； 圖9是本發(fā)明仿真所用的平面六邊形有源相控陣天線有限元模型圖； 圖10是本發(fā)明仿真結(jié)果的陣面輻射單元位移圖； 圖11是本發(fā)明仿真結(jié)果的有源相控陣天線俯仰角為0度的方向圖； 圖12是本發(fā)明仿真結(jié)果的有源相控陣天線俯仰角為90度的方向圖；
具體實(shí)施例方式 以下參照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
參照?qǐng)D1，本發(fā)明的具體步驟如下 步驟一，建立APAA結(jié)構(gòu)模型。
由APAA的陣面形狀、尺寸、輻射單元類型、天線框架這些結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定APAA結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖9所示。由該有限元模型得到陣面上每個(gè)輻射單元的理論坐標(biāo)(x，y，0)。
步驟二，建立APAA熱分析模型。
利用熱分析軟件，準(zhǔn)確建立APAA熱分析模型，該熱分析模型包括結(jié)構(gòu)材料參數(shù)、散熱形式、環(huán)境參考溫度、T/R組件熱功率、散熱器尺寸與物理參數(shù)、風(fēng)道形狀尺寸和風(fēng)機(jī)參數(shù)。由于APAA部件單元數(shù)非常多，如有上千個(gè)T/R組件，為提高建模效率，最好利用結(jié)構(gòu)對(duì)稱性簡(jiǎn)化熱模型，降低建模難度。確定散熱設(shè)計(jì)參數(shù)后，對(duì)APAA施加溫度浸透、溫度梯度這些不同熱載荷，然后確定APAA結(jié)構(gòu)溫度分布，包括陣面輻射單元溫度和T/R組件等部件的溫度。
步驟三，確定APAA結(jié)構(gòu)溫差載荷FΔT。
參照?qǐng)D2，利用APAA結(jié)構(gòu)溫度和參考溫度，得到溫差引起的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變，從而得到APAA結(jié)構(gòu)溫差載荷，具體步驟如下 (3a)利用有源相控陣天線熱分析溫度T和初始參考溫度T0，得到由各種熱源導(dǎo)致的該天線結(jié)構(gòu)溫差ΔT； (3b)忽略結(jié)構(gòu)變形對(duì)熱分析參數(shù)的影響，只考慮溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，即溫度差異導(dǎo)致結(jié)構(gòu)單元的膨脹或縮小從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，根據(jù)熱彈性Hook定律建立包含溫度項(xiàng)的彈性方程，得到結(jié)構(gòu)溫差ΔT引起的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變e0 式中，α是天線陣面熱膨脹系數(shù)； (3c)利用有源相控陣天線結(jié)構(gòu)彈性矩陣D和結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變e0，計(jì)算結(jié)構(gòu)溫差載荷強(qiáng)度sΔT 式中，α是天線陣面熱膨脹系數(shù)，E是天線陣面彈性模量，u是天線陣面泊松比； (3d)將溫差載荷強(qiáng)度sΔT代入有源相控陣天線載荷項(xiàng)中，得到該天線結(jié)構(gòu)溫差載荷 FΔT＝[∫vBTsΔTdv]。
步驟四，確定APAA每個(gè)輻射單元的位置偏移量(Δx，Δy，Δz)。
首先，確定APAA的約束條件和邊界條件，包括APAA的背架結(jié)構(gòu)約束，載荷施加位置與方向； 其次，針對(duì)載荷的類型進(jìn)行不同的處理，例如對(duì)于穩(wěn)態(tài)風(fēng)荷、太陽(yáng)照射與自重，根據(jù)結(jié)構(gòu)與外界的約束性質(zhì)，建立合適的邊界條件，組成結(jié)構(gòu)的整體剛度陣； 最后，利用如下天線結(jié)構(gòu)靜力分析方程，進(jìn)行結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)求解，得到包括陣面輻射單元的位置偏移量(Δx，Δy，Δz)在內(nèi)的APAA結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)。
步驟五，計(jì)算輻射單元的相位差
參照?qǐng)D3，APAA陣面輻射單元的相位差分析過(guò)程如下 (5a)設(shè)定目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)系O-xyz所在的方向(θ，φ)以方向余弦表示為(cosαx，cosαy，cosαz)，并根據(jù)目標(biāo)與坐標(biāo)系的空間幾何關(guān)系，得到目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)軸的夾角與方向余弦的關(guān)系為 cosαx＝sinθcosφ，cosαy＝sinθsinφ，cosαz＝cosθ； 式中，各個(gè)參數(shù)含義如圖5所示。
(5b)令輻射單元間距分別為dx，dy，根據(jù)平面有源相控陣天線陣面輻射單元的排列成的平面矩形或平面六邊形，得到每個(gè)輻射單元位置相對(duì)于位于坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離矢量，即 對(duì)于六邊形其距離矢量為(m＝0，1，2，…，n＝0，±1，±2，…)； 對(duì)于矩形其距離矢量為 式中，

分別為平面六邊形有源相控陣天線的基本三角形底邊和斜邊的單位矢量； (5c)當(dāng)有源相控陣天線受到溫度載荷或外部環(huán)境載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，其每個(gè)單元的偏移量為(Δxmn，Δymn，Δzmn)，m，n分別為天線平面兩個(gè)方向的單元數(shù)目； (5d)對(duì)于平面六邊形有源相控陣天線，相鄰兩單元在目標(biāo)處沿

方向、

方向和z軸的空間相位差分別為


對(duì)于平面矩形有源相控陣天線，相鄰兩單元間在目標(biāo)處沿x、y和z軸的空間相位差分別為


式中k＝2π/λ，λ為天線的工作波長(zhǎng)； (5e)由步驟5d得出的空間相位差，計(jì)算輻射單元位置變化在遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)處導(dǎo)致的空間相位誤差

即 對(duì)于平面六邊形有源相控陣天線，每個(gè)輻射單元對(duì)于第(0，0)單元的相位差為
對(duì)于平面矩形有源相控陣天線，每個(gè)輻射單元對(duì)于第(0，0)個(gè)單元的相位差為
其中，S是由受結(jié)構(gòu)溫度分布影響的T/R組件控制的陣內(nèi)相位差，m，n分別為天線平面兩個(gè)方向的單元數(shù)目。
步驟六，計(jì)算T/R組件激勵(lì)電流的幅度變化量ΔI和相位變化量
利用APAA溫度分布，得到T/R組件的溫度，通過(guò)查詢圖6中T/R組件在溫度升高后的性能變化，得到激勵(lì)電流的幅度變化量ΔImn和相位變化量

表達(dá)式為
式中，I′mn、

表示第(m，n)個(gè)單元溫度載荷后的激勵(lì)電流幅度和相位，Imn0、

表示第(m，n)個(gè)單元環(huán)境溫度下的激勵(lì)電流幅度和相位； 步驟七，計(jì)算APAA口徑場(chǎng)幅相分布。
基于輻射單元位置偏移引起的相位誤差

和激勵(lì)電流的幅相誤差ΔI、

得到APAA的口徑場(chǎng)幅度IA和相位

的分布分別為
式中，角標(biāo)m，n表示第(m，n)個(gè)單元的參數(shù)。
步驟八，計(jì)算APAA電性能參數(shù)。
參照?qǐng)D4，APAA電性能參數(shù)的計(jì)算過(guò)程如下 (8a)確定輻射單元的單元方向圖函數(shù)Ee(θ，φ)，如是半波振子，則其單元方向圖函數(shù)為 (8b)根據(jù)APAA電性能參數(shù)指標(biāo)要求，確定陣面照射函數(shù)，一般為Taylor分布或者Chebyshev分布或者余弦分布； (8c)根據(jù)電磁場(chǎng)的疊加原理，將有源相控陣天線的輻射電場(chǎng)表示為
式中，Emn表示每個(gè)單元的輻射電場(chǎng)方向圖函數(shù)，m，n是天線陣列兩個(gè)方向的單元數(shù)； (8d)在不考慮天線單元間的互耦的條件下，得出天線陣方向函數(shù)為
(8e)利用輻射單元的單元方向圖和陣面照射函數(shù)以及口徑場(chǎng)幅相分布，得到遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)分布函數(shù)，即方向圖函數(shù) 對(duì)于平面六邊形有源相控陣天線，其方向圖函數(shù)為
對(duì)于平面矩形有源相控陣天線，其方向圖函數(shù)為
并從方向圖中確定有源相控陣天線的副瓣電平、波束指向兩個(gè)電性能參數(shù)； (8f)依據(jù)有源相控陣天線遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)分布，計(jì)算天線增益為
步驟九，根據(jù)APAA的電性能指標(biāo)要求，判斷計(jì)算出的天線電性能參數(shù)是否滿足要求，如果滿足要求則天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)合格；否則，修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和熱設(shè)計(jì)參數(shù)，并重復(fù)步驟一至步驟八，直至滿足要求。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)以下仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明 1.仿真條件 將本發(fā)明的平面有源相控陣天線機(jī)電熱耦合分析方法編為“APAA機(jī)電熱耦合分析軟件”，在一平面六邊形APAA上進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱與電磁耦合分析實(shí)驗(yàn)。
該APAA陣面尺寸為622×160×60(mm)，如圖7所示，工作頻率為K波段26GHz，天線框架內(nèi)由下至上排列著14個(gè)風(fēng)道，整個(gè)天線陣安裝182個(gè)輻射單元，每個(gè)輻射單元后的T/R組件熱功耗為6W。圖8給出了APAA下半部分的T/R組件排列結(jié)構(gòu)。對(duì)該六邊形APAA陣面施加約束條件，根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，只計(jì)算下半部分的陣面，對(duì)上半部分施加對(duì)稱約束條件，在天線框架背面上面4個(gè)節(jié)點(diǎn)與底面16個(gè)節(jié)點(diǎn)施加三自由度約束，整個(gè)結(jié)構(gòu)模型流體與固體網(wǎng)格單元總數(shù)為1565795個(gè)。天線框架、輻射單元和T/R組件的材料均為硬鋁合金，其物理參數(shù)與參考溫度見(jiàn)表1。T/R組陣底板導(dǎo)熱能力較差，設(shè)定導(dǎo)熱系數(shù)為1W/(m·K)，流體為空氣定常流體，天線外框架與陣面外表面的對(duì)流換熱系數(shù)為7W/(m2·K)，天線結(jié)構(gòu)溫度分析SIMPLE算法中的壓力修正系數(shù)為0.3，速度修正系數(shù)為0.7。利用本發(fā)明的平面有源相控陣天線結(jié)構(gòu)、電磁、熱耦合模型，把平面六邊形有源相控陣天線的增益損失從0.1045dB降低到0.0772dB。
表1、APAA物理參數(shù)與參考溫度
2.仿真結(jié)果 利用以上條件仿真所建立的APAA結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖9所示。對(duì)APAA陣面分別加載40-50℃與40-70℃的溫度梯度，得到陣面輻射單元位移情況如表2所示和圖10所示，在φ＝0°和φ＝90°平面的APAA方向圖如圖11、圖12所示，其增益與增益損失情況如表3所示。
從表3中數(shù)據(jù)可看出，基于本發(fā)明的機(jī)電熱耦合分析方法所建立的天線，在俯仰角為40-50℃溫度梯度工況下的天線增益損失為0.0772dB，滿足≤0.1dB的設(shè)計(jì)要求。綜合分析仿真結(jié)果可看出，在40-70℃溫度梯度條件下，天線增益損失大于在40-50℃溫度梯度時(shí)的。隨著APAA陣面溫度梯度的提高，輻射單元的變形量逐漸增大，且APAA方向增益損失也變大，副瓣電平也在抬高。說(shuō)明陣面溫度梯度越高，將導(dǎo)致天線電性能下降越大。陣面上溫度較高的部分，其結(jié)構(gòu)變形量也較大，說(shuō)明應(yīng)通過(guò)提高該部分的結(jié)構(gòu)剛度，采用更為有效的冷卻方式來(lái)降低陣面溫度梯度，從而保證APAA的電性能。
表2、不同溫度梯度下的陣面輻射單元位移
表3、不同溫度梯度下的APAA增益與增益損失
通過(guò)該軟件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明采用本發(fā)明的方法可用于進(jìn)行有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)及電性能耦合分析與評(píng)價(jià)。
權(quán)利要求
1.一種基于機(jī)電熱三場(chǎng)耦合的有源相控陣天線電性能預(yù)測(cè)方法，包括如下過(guò)程
(1)根據(jù)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定有源相控陣天線結(jié)構(gòu)的有限元模型，得到陣面每一個(gè)輻射單元的理論坐標(biāo)(x，y，0)；
(2)利用熱分析軟件，建立有源相控陣天線的熱分析模型，確定散熱設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)該模型施加溫度浸透、溫度梯度，得到有源相控陣天線陣面輻射單元和T/R組件的溫度分布T；
(3)設(shè)定有源相控陣天線的參考溫度T0，并將所述的陣面輻射單元和T/R組件的溫度分布與該參考溫度比較，確定該天線結(jié)構(gòu)溫差載荷FΔT；
(4)利用有源相控陣天線結(jié)構(gòu)的有限元模型和熱分析模型，確定有源相控陣天線的約束條件和邊界條件，根據(jù)溫差載荷及風(fēng)荷、重力兩種環(huán)境載荷，確定該天線的全部等效載荷，得到包括陣面輻射單元的位置偏移量(Δx，Δy，Δz)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)；
(5)根據(jù)陣面輻射單元的位置偏移，確定輻射單元的位置變化在遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)處導(dǎo)致的空間相位誤差
(6)根據(jù)有源相控陣天線T/R組件的溫度分布，以及實(shí)驗(yàn)得到的T/R組件的溫度電流曲線圖，得到T/R組件激勵(lì)電流的幅度變化量ΔI和相位變化量
(7)根據(jù)輻射單元位置偏移引起的相位誤差
和激勵(lì)電流的幅相變化量ΔI和
得到有源相控陣天線口徑場(chǎng)幅度IA和相位
的分布；
(8)利用輻射單元的單元方向圖和陣面照射函數(shù)以及口徑場(chǎng)幅相分布IA、
和天線陣面輻射單元的排列形式，計(jì)算有源相控陣天線的副瓣電平、波束指向和增益這些電性能參數(shù)；
(9)根據(jù)有源相控陣天線的電性能指標(biāo)要求，判斷計(jì)算出的天線電性能參數(shù)是否滿足要求，如果滿足要求則天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)合格；否則，修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和熱設(shè)計(jì)參數(shù)，并重復(fù)步驟(1)至步驟(8)，直至滿足要求。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線電性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于步驟(3)所述的確定有源相控陣天線結(jié)構(gòu)的溫差載荷，按如下過(guò)程進(jìn)行
(3a)利用有源相控陣天線熱分析溫度T和初始參考溫度T0，得到由各種熱源導(dǎo)致的該天線結(jié)構(gòu)溫差ΔT；
(3b)忽略結(jié)構(gòu)變形對(duì)熱分析參數(shù)的影響，只考慮溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，即溫度差異導(dǎo)致結(jié)構(gòu)單元的膨脹或縮小從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，根據(jù)熱彈性Hook定律建立包含溫度項(xiàng)的彈性方程，得到結(jié)構(gòu)溫差ΔT引起的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變e0
式中，α是天線陣面熱膨脹系數(shù)；
(3c)利用有源相控陣天線結(jié)構(gòu)彈性矩陣D和結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變e0，計(jì)算結(jié)構(gòu)溫差載荷強(qiáng)度sΔT
式中，α是天線陣面熱膨脹系數(shù)，E是天線陣面彈性模量，u是天線陣面泊松比；
(3d)將溫差載荷強(qiáng)度sΔT代入有源相控陣天線載荷項(xiàng)中，得到該天線結(jié)構(gòu)溫差載荷
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線電性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于步驟(5)，按如下過(guò)程進(jìn)行
(5a)設(shè)定目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)系O-xyz所在的方向(θ，φ)以方向余弦表示為(cosαx，cosαy，cosαz)，并根據(jù)目標(biāo)與坐標(biāo)系的空間幾何關(guān)系，得到目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)軸的夾角與方向余弦的關(guān)系為
cosαx＝sinθcosφ，cosαy＝sinθsinφ，cosαz＝cosθ；
(5b)令輻射單元間距分別為dx，dy，根據(jù)平面有源相控陣天線陣面輻射單元的排列成的平面矩形或平面六邊形形式，得到每個(gè)輻射單元位置相對(duì)于位于坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離矢量，即
對(duì)于六邊形其距離矢量為
對(duì)于矩形其距離矢量為
式中，
分別為平面六邊形有源相控陣天線的基本三角形底邊和斜邊的單位矢量；
(5c)當(dāng)有源相控陣天線受到溫度載荷或外部環(huán)境載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，其每個(gè)單元的偏移量為(Δxmn，Δymn，Δzmn)，m，n分別為天線平面兩個(gè)方向的單元數(shù)目；
(5d)對(duì)于平面六邊形有源相控陣天線，相鄰兩單元在目標(biāo)處沿
方向、
方向和z軸的空間相位差分別為
對(duì)于平面矩形有源相控陣天線，相鄰兩單元間在目標(biāo)處沿x、y和z軸的空間相位差分別為
式中k＝2π/λ，λ為天線的工作波長(zhǎng)；
(5e)由步驟5d得出的空間相位差，計(jì)算輻射單元位置變化在遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)處導(dǎo)致的空間相位誤差
即
對(duì)于平面六邊形有源相控陣天線，每個(gè)輻射單元對(duì)于第(0，0)單元的相位差為
對(duì)于平面矩形有源相控陣天線，每個(gè)輻射單元對(duì)于第(0，0)個(gè)單元的相位差為
其中，S是由受結(jié)構(gòu)溫度分布影響的T/R組件控制的陣內(nèi)相位差，m，n分別為天線平面兩個(gè)方向的單元數(shù)目。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線電性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于步驟(8)，按如下過(guò)程進(jìn)行
(8a)確定輻射單元的單元方向圖函數(shù)Ee(θ，φ)，如是半波振子，則其單元方向圖函數(shù)為
(8b)根據(jù)APAA電性能參數(shù)指標(biāo)要求，確定陣面照射函數(shù)，一般為Taylor分布或者Chebyshev分布或者余弦分布；
(8c)根據(jù)電磁場(chǎng)的疊加原理，將有源相控陣天線的輻射電場(chǎng)表示為
式中，Emn表示每個(gè)單元的輻射電場(chǎng)方向圖函數(shù)，m，n是天線陣列兩個(gè)方向的單元數(shù)；
(8d)在不考慮天線單元間的互耦的條件下，得出天線陣方向函數(shù)為
(8e)利用輻射單元的單元方向圖和陣面照射函數(shù)以及口徑場(chǎng)幅相分布，得到遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)分布函數(shù)，即方向圖函數(shù)
對(duì)于平面六邊形有源相控陣天線，其方向圖函數(shù)為
，
對(duì)于平面矩形有源相控陣天線，其方向圖函數(shù)為
并從方向圖中確定有源相控陣天線的副瓣電平、波束指向兩個(gè)電性能參數(shù)；
(8f)依據(jù)有源相控陣天線遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)分布，計(jì)算天線增益為
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種基于結(jié)構(gòu)、電磁、熱三場(chǎng)耦合的有源相控陣天線電性能預(yù)測(cè)方法，主要解決有源相控陣天線結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)中機(jī)電熱分離的問(wèn)題。其過(guò)程是基于有源相控陣天線結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)參數(shù)，確定結(jié)構(gòu)和T/R組件溫度；根據(jù)溫差載荷分析結(jié)果，進(jìn)行天線有限元分析；得到天線熱載荷與環(huán)境載荷下的結(jié)構(gòu)變形，分析天線輻射單元的相位差；利用熱分析結(jié)果，確定T/R組件激勵(lì)電流的幅相誤差；通過(guò)輻射單元相位差和激勵(lì)電流幅相誤差，得到天線的口徑場(chǎng)幅相分布；利用口徑場(chǎng)分布和陣面照射函數(shù)，計(jì)算天線遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)方向圖；得到天線電性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)、電磁、熱耦合分析。本發(fā)明可用于指導(dǎo)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)及電性能耦合分析與評(píng)價(jià)。
文檔編號(hào)G01R31/00GK101344564SQ20081015063
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月14日
發(fā)明者段寶巖, 王從思, 鵬 李, 張福順, 朱敏波, 飛 鄭, 宏 保, 仇原鷹, 偉 王, 馮昕罡, 高慧蓮, 宋立偉 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)