本發(fā)明涉及電子設(shè)備多物理場(chǎng)耦合分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于網(wǎng)格傳遞的天線機(jī)電耦合方法。

背景技術(shù)：

隨著我國深空探測(cè)工程的開展，用于超遠(yuǎn)距離測(cè)控的大型反射面天線以及各種大口徑星載可展開反射面天線發(fā)展迅速。不同于常見的小型反射面天線，大口徑使得天線方向性增高的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重加大，易于受外部環(huán)境因素的影響。反射面作為電磁場(chǎng)的邊界條件，在各種外部載荷的作用下發(fā)生微小變形。如震動(dòng)沖擊、重力、風(fēng)荷、冰雪載荷、溫度載荷等，從而導(dǎo)致天線增益下降、副瓣升高等電性能變差。因而大口徑天線的機(jī)電耦合分析逐漸成為研究熱點(diǎn)。多年來研究人員對(duì)于結(jié)構(gòu)因素的對(duì)天線電性能的影響做了大量研究。但是研究工作還存在一些不足。電設(shè)計(jì)人員通常只是以假設(shè)的隨機(jī)誤差或系統(tǒng)變形估算其對(duì)電性能的影響。但難以考慮天線實(shí)際工作時(shí)的結(jié)構(gòu)變形，其研究結(jié)論也沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員雖然可以研究實(shí)際天線變形，但通常只關(guān)心表面精度，或是用Ruze公式粗略估算增益損失，而不考慮副瓣、方向圖等其它電性能指標(biāo)。現(xiàn)在也有人從軟件集成的角度，使用結(jié)構(gòu)分析軟件分析天線實(shí)際變形，然后將變形結(jié)果導(dǎo)入電磁分析軟件中分析天線電性能，但是結(jié)構(gòu)分析更關(guān)心天線的背架并使用有限元法，反射面天線的電磁分析只關(guān)心天線主面而且多使用高頻近似方法，兩者的分析方法和模型都有很大差異，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用的效果欠佳。

有源相控陣?yán)走_(dá)作為當(dāng)今雷達(dá)發(fā)展的主流，其性能主要取決于有源相控陣天線(APAA)，APAA陣面存在大量發(fā)熱器件，且包含對(duì)溫度敏感的T/R組件，陣面溫度分布不合理將嚴(yán)重影響陣面相位控制精度，熱變形作用也將導(dǎo)致天線輻射單元方向圖改變，使電性能達(dá)不到要求甚至無法實(shí)現(xiàn)。區(qū)別于無源相控陣天線，有源相控陣天線的核心部件即發(fā)射/接收組件(T/R組件)，在APAA陣面上，T/R組件按一定規(guī)則排列，其數(shù)量可達(dá)數(shù)百至數(shù)千個(gè)且伴隨雷達(dá)要求的提高而日益增加，在有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，每一個(gè)T/R組件都對(duì)應(yīng)了一個(gè)天線單元，因此，T/R組件的性能在很大程度上決定了APAA的性能，此外，針對(duì)不同應(yīng)用類型應(yīng)用環(huán)境的有源相控陣天線，T/R組件的要求也不盡相同，如機(jī)載和艦載有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)對(duì)T/R組件的體積和能耗有特點(diǎn)苛刻的要求，均需要實(shí)現(xiàn)T/R組件的小型化，而針對(duì)T/R組件內(nèi)部電子器件，發(fā)射信號(hào)功率放大器以及高功率放大器(HPA)的輸出功率也是相控陣?yán)走_(dá)的一個(gè)重要新要求，然而，現(xiàn)有相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中T/R模塊的功率放大器功率附加效率(PAE)始終維持在30％左右，剩余70％的電功率則直接轉(zhuǎn)化成為熱功耗，而國內(nèi)的T/R模塊功率放大器功率附加效率相比于國外更低，PAE值只能達(dá)到25％左右，因此，在有源相控陣?yán)走_(dá)獲得高發(fā)射功率的同時(shí)，雷達(dá)也產(chǎn)生了大量的熱損耗，而且，隨著T/R組件熱流密度的提高，有源相控陣天線陣面的總熱流密度可以高達(dá)30W/cm2。APAA陣面高溫會(huì)嚴(yán)重影響天線性能，主要表現(xiàn)為：1.結(jié)構(gòu)方面，高溫會(huì)造成天線熱變形，從而降低天線陣面平整度，改變輻射單元位置，致使輻射單元產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)誤差，另一方面，高溫會(huì)使天線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱應(yīng)力，該應(yīng)力值也應(yīng)該進(jìn)行分析，從而確保其低于天線結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求；2.電性能方面，首先，輻射單元位置變化會(huì)引起天線增益、波束指向等重要參數(shù)改變，此外，T/R組件中包含移相器、高功率放大器、低噪聲放大器等眾多關(guān)鍵電子器件，電子器件的工作可靠性對(duì)溫度十分敏感，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備失效率有55％是由于溫度超過電子設(shè)備規(guī)定殼體溫值而引起的，并且，隨著溫度的升高，電子設(shè)備的失效率會(huì)成指數(shù)形式增長，當(dāng)溫度循環(huán)變化范圍超過20℃時(shí)，電子設(shè)備的失效率可增加到8.1倍。另外也有研究表明：固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)中，功率晶體管的結(jié)溫每增加10℃，其可靠性就會(huì)下降60％，而T/R組件中移相器、功率放大器等器件均是實(shí)現(xiàn)天線電性能的重要部件，因此，天線陣面溫度分布關(guān)系到T/R組件的工作可靠性，影響著天線電性能的有效實(shí)現(xiàn)。由此可以看出，大口徑星載可展開反射面天線和有源相控陣?yán)走_(dá)均存在著機(jī)電耦合問題。

機(jī)電耦合是機(jī)械結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)和電磁場(chǎng)兩場(chǎng)相互作用、相互影響而形成的物理現(xiàn)象，具有典型的多學(xué)科交叉的特點(diǎn)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電子系統(tǒng)是機(jī)械、電磁、散熱等學(xué)科相結(jié)合的系統(tǒng)，其電性能的實(shí)現(xiàn)不僅依賴于各學(xué)科領(lǐng)域的設(shè)計(jì)水平，更取決于多學(xué)科的有機(jī)結(jié)合，如平板裂縫天線縫隙尺寸、表面變形等對(duì)天線電性能的影響；天線座傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦對(duì)天線座伺服性能的影響。因此復(fù)雜電子系統(tǒng)的機(jī)電耦合問題引起了越來越多的學(xué)者的關(guān)注。在機(jī)電耦合分析方法上，不同物理場(chǎng)間的數(shù)據(jù)傳遞方法是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，國外很早就在機(jī)電耦合及多物理場(chǎng)耦合問題上開展了研究，如采用邊界元法研究耦合接觸問題；電子設(shè)備中不同場(chǎng)間的耦合問題等。Steinberg對(duì)電子設(shè)備從器件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并提出很多使電子設(shè)備在惡劣環(huán)境下仍能正常工作的方法；John Voello更是指出，在未來25種新技術(shù)中，多場(chǎng)耦合問題將會(huì)受到高度重視。國內(nèi)在電子系統(tǒng)機(jī)電耦合問題上的研究起步較晚，從上世紀(jì)80年代，才陸續(xù)開展了一些與反射面天線相關(guān)的機(jī)電耦合研究。段寶巖分析了國內(nèi)電子裝備機(jī)電耦合研究的現(xiàn)狀與發(fā)展。劉爽對(duì)非線性機(jī)電耦合系統(tǒng)延時(shí)反饋進(jìn)行了研究，彭博研究了電子產(chǎn)品多物理場(chǎng)耦合仿真方法，提出一種面向電子產(chǎn)品的多場(chǎng)耦合協(xié)同仿真方法和框架。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)大型微波天線分析設(shè)計(jì)中存在的機(jī)電分離問題，提供一種具有快速性、準(zhǔn)確性的基于網(wǎng)格傳遞的天線機(jī)電耦合方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中無法進(jìn)行天線結(jié)構(gòu)變形對(duì)電性能影響的研究等問題。

本發(fā)明的上述目的可以通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種基于網(wǎng)格傳遞的天線機(jī)電耦合方法，其特征在于包括如下步驟：

A、首先利用ANSYS Workbench軟件對(duì)天線進(jìn)行力學(xué)特性分析，獲取天線結(jié)構(gòu)變形每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移，計(jì)算得到天線面板的靜力變形，采用ANSYS Mechanical APDL模塊讀取變形前的網(wǎng)格文件，然后針對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，計(jì)算其形變量，并將有限元模型每個(gè)節(jié)點(diǎn)的形變量加入到原始網(wǎng)格中，得到變形后的網(wǎng)格，然后利用ANSYS的參數(shù)化編程語言APDL，更新網(wǎng)格并輸出變形后天線的網(wǎng)格文件；

B、對(duì)步驟A中的網(wǎng)格文件進(jìn)行讀入，用ANSYS的ICEM CFD模塊讀入CDB網(wǎng)格模型，對(duì)網(wǎng)格類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將網(wǎng)格類型轉(zhuǎn)換成PAT格式，并導(dǎo)入到Hypermesh軟件中，Hypermesh軟件讀入網(wǎng)格文件，提取并輸出表面網(wǎng)格；

C、將步驟B中變形后的表面網(wǎng)格文件和表面網(wǎng)格模型導(dǎo)入電磁分析軟件FEKO中進(jìn)行天線電性能的分析，對(duì)比變形前天線的電性能，得到天線的機(jī)電耦合性能。實(shí)現(xiàn)了一種基于網(wǎng)格傳遞的微波天線機(jī)電耦合分析的方法。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明具有快速性和準(zhǔn)確性的特點(diǎn)。

(1)具有快速性。本發(fā)明研究天線的機(jī)電耦合特性，實(shí)現(xiàn)一種基于網(wǎng)格傳遞的天線機(jī)電耦合方法，首先對(duì)天線進(jìn)行力學(xué)分析，提取變形后的網(wǎng)格，然后對(duì)變形后的網(wǎng)格類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換和提取表面網(wǎng)格，然后導(dǎo)入電磁分析軟件進(jìn)行天線電性能的計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形對(duì)天線電性能的分析,可以用于天線產(chǎn)品初始階段的研究，使天線產(chǎn)品的機(jī)電耦合分析和天線結(jié)構(gòu)電性能的協(xié)同設(shè)計(jì)成為可能，能夠有效降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)只能通過加工實(shí)物并使用實(shí)驗(yàn)測(cè)試來研究天線的機(jī)電耦合性能，，具有明顯的快速性特點(diǎn)。

(2)具有準(zhǔn)確性。在下文中，本發(fā)明針對(duì)波導(dǎo)縫隙天線實(shí)例，通過網(wǎng)格的提取與轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)模型到電磁場(chǎng)計(jì)算模型的傳遞，通過仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行對(duì)比，證明本發(fā)明的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于網(wǎng)格傳遞的天線機(jī)電耦合方法流程示意圖。

圖2-a是波導(dǎo)裂縫天線的實(shí)體模型示意圖。

圖2-b是利用ANSYS Workbench軟件分析天線的靜力變形結(jié)果的示意圖。

圖2-c是變形后的網(wǎng)格模型示意圖。

圖2-d是導(dǎo)入到專業(yè)的電磁分析軟件FEKO中的表面網(wǎng)格模型示意圖。

圖3-a是天線變形前的天線性能的3D方向圖示意圖。

圖3-b是天線變形后的天線性能的3D方向圖示意圖。

圖3-c是天線變形前后的天線性能的仿真結(jié)果對(duì)比示意圖。

圖3-d是天線變形前后的天線性能的最大增益仿真結(jié)果對(duì)比示意圖。

圖3-e是天線變形前后的天線性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比示意圖。

圖3-f是天線變形前后的天線性能的最大增益實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

參閱圖1。根據(jù)本發(fā)明，基于網(wǎng)格傳遞的天線機(jī)電耦合分析流程，

A、首先利用ANSYS Workbench軟件對(duì)天線進(jìn)行力學(xué)特性分析，獲取天線結(jié)構(gòu)變形每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移，計(jì)算得到天線面板的靜力變形，采用ANSYS Mechanical APDL模塊讀取變形前的網(wǎng)格文件，然后針對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，計(jì)算其形變量，并將有限元模型每個(gè)節(jié)點(diǎn)的形變量加入到原始網(wǎng)格中，得到變形后的網(wǎng)格；利用ANSYS的參數(shù)化編程語言APDL，更新網(wǎng)格并輸出變形后天線的網(wǎng)格文件；

B、對(duì)步驟A中的網(wǎng)格文件進(jìn)行讀入，然后利用ANSYS的ICEM CFD模塊讀入CDB網(wǎng)格模型，對(duì)網(wǎng)格類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將網(wǎng)格類型轉(zhuǎn)換成PAT格式，并導(dǎo)入到Hypermesh軟件中，Hypermesh軟件讀入網(wǎng)格文件，提取并輸出表面網(wǎng)格；其中，CDB，ANSYS的一種常見的網(wǎng)格文件類型，CDB即CommonDataBase(公用數(shù)據(jù)庫)。PAT網(wǎng)格是與電磁分析軟件FEKO兼容性非常好的一種網(wǎng)格類型。

C、將步驟B中變形后的表面網(wǎng)格文件和表面網(wǎng)格模型導(dǎo)入電磁分析軟件FEKO中進(jìn)行天線電性能的分析，對(duì)比變形前天線的電性能，得到天線的機(jī)電耦合性能。

進(jìn)一步地，所述步驟A對(duì)天線進(jìn)行力學(xué)分析，提取變形后的網(wǎng)格文件，具體為：首先利用ANSYS Workbench軟件對(duì)天線進(jìn)行力學(xué)特性分析，計(jì)算天線振動(dòng)或者風(fēng)載變形；利用ANSYS的參數(shù)化編程語言APDL，輸出變形后天線的網(wǎng)格文件。

進(jìn)一步地，所述步驟B對(duì)步驟A中輸出的網(wǎng)格模型進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換并提取表面網(wǎng)格，具體為：首先利用ANSYS的ICEM CFD模塊讀入步驟A輸出的CDB文件，將CDB類型的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成PAT網(wǎng)格類型，這是因?yàn)楹罄m(xù)的電磁分析軟件中，對(duì)PAT格式的網(wǎng)格文件更兼容。由于此時(shí)PAT網(wǎng)格類型為體網(wǎng)格，而后續(xù)的電磁分析軟件僅支持表面網(wǎng)格，因此還需要使用Hypermesh軟件，提取表面網(wǎng)格并輸出。

進(jìn)一步地，將步驟B中得到的變形后天線的表面網(wǎng)格模型，導(dǎo)入到專業(yè)的電磁分析軟件FEKO中，進(jìn)行變形后天線的電性能分析，對(duì)比變形前天線的電性能，得到天線的機(jī)電耦合性能。

進(jìn)一步地，所述步驟A構(gòu)建步驟B中讀入變形后的網(wǎng)格文件并對(duì)網(wǎng)格類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換和表面網(wǎng)格提取，具體為：

C1、根據(jù)步驟A中利用APDL語言輸出的變形后的網(wǎng)格模型；

C2、利用ANSYS的ICEM CFD模塊讀入網(wǎng)格模型，將CDB網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成PAT網(wǎng)格；

C3、利用Hypermesh軟件，對(duì)PAT網(wǎng)格進(jìn)行表面網(wǎng)格提取并輸出。

進(jìn)一步地，所述步驟C1利用APDL語言輸出的變形后的網(wǎng)格模型，具體為：采用經(jīng)典版的ANSYS Mechanical APDL模塊，與前面的靜力分析共享分析結(jié)果信息，并編程實(shí)現(xiàn)將分析所得的位移加到原來的有限元模型的節(jié)點(diǎn)上并且輸出更新后的有限元模型的CDB網(wǎng)格模型。

在步驟A中，首先利用ANSYS Workbench軟件對(duì)天線進(jìn)行力學(xué)特性分析，計(jì)算其靜力變形；采用經(jīng)典版的ANSYS Mechanical APDL，與前面的靜力分析共享分析結(jié)果信息，并編程實(shí)現(xiàn)將分析所得的位移加到原來的有限元模型的節(jié)點(diǎn)上并且輸出更新后的有限元模型的CDB網(wǎng)格模型。圖2-a所示，為我們分析的波導(dǎo)裂縫天線的實(shí)體模型。圖2-b所示，為利用ANSYS Workbench軟件分析天線的靜力變形。

在變形數(shù)據(jù)的傳遞方法上，首先采用經(jīng)典版的ANSYS Mechanical APDL模塊，讀入變形前的網(wǎng)格文件，然后針對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，計(jì)算其形變量，并將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的形變量加入到原始的網(wǎng)格中，得到變形后的網(wǎng)格，然后利用ANSYS的ICEM CFD模塊讀入CDB網(wǎng)格模型，將網(wǎng)格類型轉(zhuǎn)換成PAT格式，并導(dǎo)入到Hypermesh軟件，提取如圖2-c所示表面網(wǎng)格，最后將提取的PAT格式的表面網(wǎng)格文件導(dǎo)入到專業(yè)的天線電磁性能分析軟件FEKO中進(jìn)行天線電性能的分析，導(dǎo)入如圖2-d所示FEKO中的表面網(wǎng)格模型。

將步驟B中得到的變形后天線的幾何模型，導(dǎo)入到專業(yè)的電磁分析軟件中，進(jìn)行變形后天線的電性能分析，對(duì)比變形前天線的電性能，得到天線的機(jī)電耦合性能。圖3-a所示為天線變形前的天線性能的3D方向圖。圖3-b所示為天線變形后的天線性能的3D方向圖。圖3-c所示為天線變形前后天線性能的仿真結(jié)果對(duì)比。圖3-d所示為天線變形前后天線性能的最大增益仿真結(jié)果對(duì)比。圖3-e所示為天線變形前后的天線性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比。圖3-f所示為天線變形前后的天線性能的最大增益實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比。

表1本發(fā)明方法與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比

從結(jié)果上可以看出，利用得到變形前后，天線的最大增益的變化為0.3dB；利用測(cè)試方法得到的變形前后，天線的最大增益變化為0.275dB，兩者相差非常小。因此可以說明，本方法提供了一種非常有效的研究天線機(jī)電耦合分析的方法，為天線的結(jié)構(gòu)與電性能的協(xié)同設(shè)計(jì)提供了可能。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。