一种考虑天线单元变形和互耦效应的变形阵列天线辐射性能补偿方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种考虑天线单元变形和互耦效应的变形阵列天线辐射性能补偿方法。

背景技术

阵列天线具有高增益，低旁瓣、窄波束等优点，已经被广泛的应用到飞机，舰船，卫星等装备上。然而，在实际工作中，阵列天线将不可避免地受到各种各样的环境载荷，例如重力载荷，风载荷、振动等，从而导致阵列天线阵面发生变形。天线阵面的变形带来三个方面的变换：

1)天线阵元之间的间距发生变化；

2)天线单元的非规则变形；

3)天线单元间距和形状的变化引起天线单元间互耦效应的非规则变化。上述三个因素共同作用，导致变阵阵列天线的辐射性能发生畸变，从而其辐射性能不再满足使用要求。

为了准确的补偿变形阵列天线的辐射性能，需要将上述三个因素严格地考虑到变形阵列天线的辐射性能分析和补偿之中。在目前已有的变形阵列天线辐射性能补偿方法中，其策略为首先分析阵列天线变形之后的阵元中心位置，然后重新构造阵列天线结构，并根据天线单元的间距变化计算各阵元的激励补偿量。这种补偿策略主要考虑了天线单元间距变化对辐射性能的影响，没有严格考虑天线单元的变形和天线单元间互耦效应的变化，无法实现准确的变形阵列的辐射性能分析和补偿。

发明内容

本发明的目的之一是针对现有技术的不足，提供了一种考虑天线单元变形和互耦效应的变形阵列天线辐射性能补偿方法。

本发明的目的之二是提供上述一种考虑天线单元变形和互耦效应的变形阵列天线辐射性能补偿方法的验证。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种考虑天线单元变形和互耦效应的变形阵列天线辐射性能补偿方法，包括如下步骤：

(1)确定阵列天线的几何结构，材料属性和电磁工作参数；

(2)根据阵列天线的结构建立其力学分析模型，并绘制阵列天线的力学分析网格；

(3)根据阵列天线的力学分析模型和外载荷，计算得到其变形后阵列天线单元各网格节点的位移；

(4)根据阵列天线单元原始网格节点位置和节点位移，计算得到变形天线单元网格节点位置，并构造变形阵列天线的矩量法分析网格、计算变形阵列天线的阻抗矩阵；

(5)基于梯度优化算法优化变形阵列各阵元的激励幅值和激励相位，得到变形阵列天线各阵元的补偿激励。

进一步地，所述步骤1中，阵列天线的几何结构包括阵面尺寸；材料属性包括弹性模量E，泊松比μ；电磁工作参数包括阵列天线的工作频率，阵元的数目和排布形式、天线单元形式、主波束辐射方向、增益、以及旁瓣电平。

进一步地，所述步骤2中，对阵对阵列天线的阵面绘制三角形壳单元网格。

进一步地，所述步骤4中，变形阵列的矩量法分析网格继承自变形的力学分析网格，根据网格原始节点位置和节点变形位移得到变形后网格节点位置。

本发明与现有方法不同，其补偿严格考虑了天线单元变形和互耦效应，可以实现准确的性能补偿。该方法中，变形阵列天线的电磁性能分析网格可以根据力学变形直接参数化的构造，从而实现严格考虑天线单元的变形和阵元间的非规则耦合效应；并且建立了一个基于梯度优化算法的变形阵列天线辐射性能补偿方法，通过调整阵元的激励幅值和相位实现对变形阵列辐射性能的补偿。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2为实施例1中阵列天线几何结构示意图；

图3为实施例1中阵元排布示意图；

图4为实施例1中阵列天线受载变形示意图；

图5为实施例1中变形阵列天线的矩量法网格示意图；

图6为实施例1中阵列天线变形前后辐射方向图、考虑不同因素补偿方向图的对比图；

具体实施方式

实施例1

本发明提出了一种考虑天线单元变形和互耦效应的变形阵列天线辐射性能补偿方法；现结合附图及具体实施方式对本发明进一步进行说明。包括如下步骤：

(1)本实施案例考虑一个带有加强筋的阵列天线，如图2所示，天线阵面尺寸为2m×2m，加强筋的截面尺寸为5mm×40mm；天线面板和加强筋的弹性模量分别为2.9GPa和71.7GPa，泊松比均为0.33；天线的工作频率为1GHz，有144个呈矩形栅格均匀排布的阵元，天线单元为交叉偶极子；阵列天线辐射方向的俯仰角和方位角为0

(2)为阵列天线绘制三角形壳单元网格，此网格用于阵列天线的力学变形分析和辐射性能分析。

(3)施加垂直于阵面的均匀分布载荷，载荷值为1194N/m

(4)根据阵列天线单元原始网格节点位置和节点位移，计算得到变形天线单元网格节点位置，如图5所示。例如对于节点1，其变形之后的位置为

(5)基于梯度优化算法优化变形阵列各阵元的激励幅值和激励相位，得到变形阵列天线各阵元的补偿激励。优化模型如下：

下表为实施例1中阵列变形补偿前后的辐射性能参数对比表：

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。