基于模型重构的相控阵天线多场耦合建模与求解

发布时间：2020-07-29 23:43

【摘要】：相控阵天线是用电子扫描技术实现天线波束指向在空间转动或扫描的天线,具有可靠性高、探测能力强、隐身性能好的特点,在弹载、机载、星载、舰载、车载和浮空器等各种新型武器平台的雷达系统中具有巨大的应用潜力。随着相控阵天线朝高频段、高密度的方向发展,温度场-结构位移场-电磁场之间的耦合日趋显著,从而导致增益下降、副瓣抬高、指向精度降低等问题出现,严重制约了高性能相控阵天线的研制。然而,对于相控阵天线多场耦合问题,现有的建模方法只考虑了天线阵面受耦合场作用产生的形变,而忽略了馈电系统的形变,此外,其求解也存在不同物理场之间数据模型异构、网格失配的问题,从而降低了耦合分析的准确性。本文针对相控阵天线多场耦合建模及求解中存在的问题,提出一种基于模型重构的相控阵天线多场耦合建模和数值求解方法。首先,将耦合场中馈电系统的形变误差引入到现有的相控阵天线耦合理论模型中,建立了含馈电系统的相控阵天线场路耦合模型,将天线的电性能表示为辐射阵面和馈电系统结构参数的泛函,揭示了其耦合机理。然后,基于相控阵天线多物理场顺序耦合特征,提出了一种耦合场之间的模型重构方法,其中包括保证阵元位姿精度的NURBS(非均匀有理B样条)曲面拟合算法,以及保证馈线相位精度的局部模型重建算法,并基于该方法实现了相控阵天线多场耦合数值求解,提高了耦合分析的精度和效率。最后,将本文方法运用于某5.8GHz的32单元相控阵天线多场耦合求解案例,并进行了力学实验和电磁性能测试实验,将数值求解结果与实验结果对比,增益的相对误差为2.24%,波束指向偏差为2.17%,副瓣偏差为8.71%,从而验证了本文方法的准确性和有效性,与传统方法相比,本文方法的分析精度平均提高了56.19%,分析速度平均提高了55.14%。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN821.8
【图文】：

有源相控阵天线,结构位移

（a）陆基有源相控阵天线（b）舰载有源相控阵天线（c）机载有源相控阵天线（d）星载有源相控阵天线图1.1 有源相控阵天线的应用APAA 是典型的多场耦合系统，即温度场、结构位移场及电磁场之间的耦合，如图 1.2，首先，环境载荷与结构参数将引起结构变形，即结构位移场（路径①）；其次，结构位移场会使众多 T/R（无线收发）组件的位置与姿态发生改变，从而影响天线远场方向图，即电磁场（路径②）[4]；最后，天线阵面中存在着大量的发热器件，发热总量通常可达几千瓦甚至兆瓦，即温度场，温度场带来的影响有两种形式，一是引起电磁器件（如 T/R 组件）本身性能的变化，从而影响电磁场（路径③），二是导致阵面发生变形

示意图,有源相控阵天线,空间关系,示意图

馈电电流的相位，从而使得阵列孔径形成新的等相面，并改变波束的指向，而天线本身不做机械转动，这就是相控阵天线的原理。图2.3 有源相控阵天线空间关系示意图2.2 相控阵天线阵面的多场耦合模型2.2.1 结构位移场模型APAA 的结构位移场是天线结构在外部载荷作用下，结构节点与初始位置的偏差

示意图,相控阵天线,空间关系,示意图

y y y kd (2-11)图2.4 相控阵天线空间关系示意图[10]这里利用了目标位于天线辐射单元的远区，两者之间的相位差x 可由图 2.5 中的光程差 cosx x l d 来确定，y 的确定方法一样。则第( m, n) 个单元与第(1,1)参考单元之间的“空间相位差”为=mn x y m n (2-12)yzi i+1xlriri+1至观察点 PO图2.5 两个相邻单元相位差示意图[67]如果天线辐射电磁波的波束指向最大值为0 0( , )，则其方向余弦可表示为0 0 0(cos ,cos ,cos )x y z ，那么位于天线阵内的移相器会使相邻单元产生另一个相位差，即 “阵内相位差”，其沿 x 轴和 y 轴的分量分别为：

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