基于機電耦合的圓柱共形陣列天線結(jié)構(gòu)公差的快速確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達天線技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于機電禪合的圓柱共形陣列天線 結(jié)構(gòu)公差的快速確定方法，可用于指導圓柱共形陣列天線結(jié)構(gòu)公差的快速確定及結(jié)構(gòu)方案 的評價。
【背景技術(shù)】
[0002] 共形陣列天線是一種與物體外形保持一致的天線，其具有節(jié)省載體的結(jié)構(gòu)空間、 不影響載體的空氣動力學性能，減小雷達的散射截面積等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天 領(lǐng)域，其中圓柱共形陣列天線是最常見的共形天線形式，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種雷達系統(tǒng) 中。
[0003] 隨著世界軍事技術(shù)的發(fā)展，對共形陣列天線的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標要求也越來越高，其 中共形天線的口徑、增益、副瓣電平、波束指向等電性能與其有著密切的關(guān)系，很大程度上 決定了共形陣列天線的性能。而共形陣列天線的電性能不僅取決于饋電系統(tǒng)的幅度相位誤 差，更易受到陣元周向位置誤差與陣元軸向位置誤差的影響，而運又受制于共形陣列天線 的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
[0004] 共形陣列天線陣面的加工安裝會導致陣面產(chǎn)生隨機誤差，使陣元位置產(chǎn)生誤差； 另外，由于共形陣列天線復雜工作環(huán)境會導致共形陣列天線在工作狀態(tài)下發(fā)生結(jié)構(gòu)變形， 也會引起陣元位置誤差，例如機載天線在飛行中會帶來振動激勵?？梢?，共形陣列天線的加 工安裝及環(huán)境載荷導致陣面結(jié)構(gòu)誤差，都將會導致天線陣元的位置發(fā)生變化，W致引起天 線的副瓣電平、增益、波束指向發(fā)生改變等問題，嚴重影響天線電性能。為此，如何根據(jù)天線 電性能指標要求，快速確定天線結(jié)構(gòu)公差，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并評估結(jié)構(gòu)方案，是研制高性能 共形陣列天線過程中必然會遇到的一個難題。
[0005] 目前，解決該難題通常有W下幾種做法：（1)利用高頻近似方法進行求解，如 Schippers H,Spalluto G,Vos G.Radiation analysis of conformal phased array antennas on distorted st;ruc1:ures[J].2003.中利用運種方法分析環(huán)境載荷下的共形陣 列天線的福射特性。但使用高頻近似方法求解時，需計算曲面上的爬行繞射波，為此必須先 確定繞射線的軌跡，公式計算復雜，而且曲面必須是光滑和電大尺寸，當天線單元數(shù)目過多 時，利用此算法，很難求解出存在誤差時共形陣列天線的福射性能。（2)推導了圓柱共形線 陣天線存在軸向位置誤差時天線的方向圖計算公式。運種方法將圓柱共形線陣天線當做平 面陣列天線來處理，當圓柱共形天線存在軸向位置誤差時，只影響陣元空間相位差，波束指 向不發(fā)生改變。運種方法并未對圓柱共形陣列天線周向位置誤差進行分析。（3)加工共形陣 列天線樣件，根據(jù)實測電性能結(jié)果，多次修改方案W確定結(jié)構(gòu)公差。運種方法導致共形陣列 天線的設(shè)計周期嚴重延長，成本大大增加，不能滿足目前我國雷達快速研制的需求。
[0006] 因此，有必要深入研究共形陣列天線結(jié)構(gòu)與電磁之間的禪合關(guān)系W準確確定滿足 天線電性能指標的結(jié)構(gòu)公差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 基于上述問題，本發(fā)明提供一種基于機電禪合的圓柱共形陣列天線結(jié)構(gòu)公差的快 速確定方法，W便有效解決在圓柱共形陣列天線結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時難W快速確定與分配天線 結(jié)構(gòu)公差的問題，可用于指導圓柱共形陣列天線陣元軸向位置誤差和周向位置誤差的制定 與分配，W及圓柱共形陣列天線結(jié)構(gòu)方案的評價。
[0008] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是，一種基于機電禪合的圓柱共形陣列天線結(jié)構(gòu) 公差的快速確定方法，該方法包括下述步驟：
[0009] (1)確定圓柱共形陣列天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作參數(shù)；
[0010] (2)給出初始陣元周向位置公差，確定陣面內(nèi)所有陣元的周向位置誤差隨機量；
[0011] (3)給出初始陣元軸向位置公差，確定陣面內(nèi)所有陣元的軸向位置誤差隨機量；
[0012] (4)基于陣元的初始位置，結(jié)合每個陣元的周向、軸向位置誤差隨機量，確定存在 誤差時陣元的新位置；
[0013] (5)根據(jù)存在誤差時陣元的新位置，建立陣元直角坐標系及陣元球坐標系；
[0014] (6)計算陣元直角坐標系下的陣元方向圖；
[0015] (7)計算陣列直角坐標系下的陣元方向圖；
[0016] (8)根據(jù)存在誤差時陣元的新位置的口面加權(quán)分布，確定陣元激勵幅度和相位；
[0017] (9)結(jié)合圓柱共形陣列天線相位參考點的位置和存在誤差時陣元的新位置，計算 每個陣元在目標處的空間相位差；
[0018] (10)利用圓柱共形陣列天線機電禪合模型，計算存在周向、軸向位置誤差時圓柱 共形陣列天線的方向圖；根據(jù)圓柱共形陣列天線的方向圖，計算天線電性能參數(shù)，并分析電 性能相對圓柱共形陣列天線設(shè)計指標的惡化程度；
[0019] (11)根據(jù)天線設(shè)計要求，判斷該結(jié)構(gòu)公差條件下的天線電性能是否滿足要求，如 果滿足要求，則當前陣元的周向位置公差和軸向位置公差就是所快速確定的結(jié)構(gòu)公差；否 貝1J，修改陣元周向、軸向位置公差，并重復步驟(2)至步驟(11)，直至滿足要求。
[0020] 所述步驟(1)確定圓柱共形陣列天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作參數(shù)，包括下述步驟：
[0021] (Ia)確定圓柱共形陣列天線的圓柱半徑r，陣面內(nèi)陣元的周向行數(shù)M、軸向列數(shù)N、 相鄰陣元在周向的圓屯、角丫和軸向的間距dz，W及陣元的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作頻率f;
[0022] (Ib)將陣面內(nèi)陣元按照周向行、軸向列的順序編號為(m，n)，其中m為1~M之間的 整數(shù)，代表圓柱共形陣列天線第M行陣元的編號，n為1~N之間的整數(shù)，代表圓柱共形陣列天 線第N列陣元的編號。
[0023] 所述步驟(2)給出初始陣元周向位置公差，確定陣面內(nèi)所有陣元的周向位置誤差 的隨機量，包括下述步驟：
[0024] (2a)陣面內(nèi)陣元周向位置分布著一個均值為0,標準差為Od的正態(tài)分布隨機誤差， 給出初始的陣元周向位置公差，即Od為V16，A為工作波長；
[0025] (2b)根據(jù)初始的陣元周向位置公差，利用MATLAB隨機生成一組均值為0、標準差為 V16的陣元周向位置誤差隨機量A CU;
[0026] 所述步驟(3)給出初始陣元軸向位置公差，確定陣面內(nèi)所有陣元的軸向位置誤差 的隨機量，包括下述步驟：
[0027] (3a)陣面內(nèi)陣元軸向位置分布著一個均值為0,標準差為Oz的正態(tài)分布隨機誤差， 給出初始的陣元軸向位置公差，即Oz為V4;
[00%] (3b)根據(jù)初始的陣元軸向位置公差，利用MATLAB生成隨機一組均值為0,標準差為 V4的陣元軸向位置誤差隨機量A ZM：。
[0029] 所述步驟(4)中計算存在誤差時陣元的新位置，包括下述步驟：
[0030] (4a)設(shè)陣面內(nèi)(m，n)個陣元的設(shè)計坐標為(Xmn，ymn，Zmn)，陣元的局部外法線方向與 X軸的夾角為丫皿，其中，Xmn = T ? COS 丫 mn，y皿=r ? sin 丫 mn，可知：
[0031]
[0032] 式中，r為圓柱半徑；
[0033] (4b)結(jié)合陣元的周向位置誤差A(yù) cUn和軸向位置誤差A(yù) Zmn,周向弧長A cUn對應(yīng)的 圓心角y
，可知存在"1;?$差時的陣兀新位置(X,mn,y ,mn,Z ,mn):
[0034] 、
材
[0035] 所述步驟(5)建立陣元直角坐標系和陣元球坐標系，包括下述步驟：
[0036] (5a)根據(jù)存在誤差時的陣元新位置，建立陣元直角坐標暑
D〇\n是 存在誤差時第(m，n)個陣元的相位中屯、，:C,'軸的正方向為存在誤差時該陣元放置的曲面 局部外法線方向，軸與Z軸方向相同，乂。'與天線單元平面相切；
[0037] (5b)根據(jù)建立的陣元直角坐標系，建立陣元球坐標系的方向矢量
， 其中錢。'正方向為Om/指向任意一點的矢徑，然。'正方向為誠"'賄正向向下看軸逆時針 旋轉(zhuǎn)到該矢徑在誠;殘記:面的投影的切線方向，C正方向為Z:,;軸順時針旋轉(zhuǎn)到該矢徑 的切線方向。
[0038] 所述步驟(6)計算陣元直角坐標系下的陣元方向圖，包括下述步驟：
[0039] (6a)根據(jù)球坐標系與直角坐標系的變換關(guān)系，可W得到陣元球坐標系的方向矢量
到陣元直角坐標系的方向矢J
均轉(zhuǎn)換矩陣：
[0040]
[0041 ] 式中，？I'為陣元球坐標系到陣元直角坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；
[0042] (6b)根據(jù)陣元結(jié)構(gòu)參數(shù)，可得存在誤差時的陣元在其陣元球坐標系下的方向圖：
[0043]
[0044] 式中，乂,:,,0'和篇/為陣元方向圖在陣元球坐標系兔和義方向的分量；
[0045] (6c)結(jié)合陣元球坐標系的方向矢量U;,"'，兔。'，C')與陣元直角坐標系的方向矢量 ^篇的轉(zhuǎn)換矩陣馬:/和存在誤差時的陣元在其陣元球坐標系下的方向圖，可得存 在誤差時的陣元在其陣元直角坐標系下的陣元方向圖：
[0046]
[0047]
[004引式中，71;、/：；和觀'分別為陣元方向圖在陣元直角坐標系瑞；、％。'和C方 向的分量。
[0049] 所述步驟(7)計算陣