[发明专利]基于机电热三场耦合的有源相控阵天线电性能预测方法

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体是一种平面有源相控阵天线电性能预测方法，用于指 导有源相控阵天线的结构设计、热设计、电性能仿真分析与评价。

背景技术

相控阵技术是近年来正在发展的新技术，它比单脉冲、脉冲多普勒等任何一种技术对 雷达发展所带来的影响都要深刻和广泛。有源相控阵天线APAA技术能同时满足高性能、 高生存能力要求，亦是降低雷达研制成本的重要途径。机载有源相控阵雷达APAR的成功 应用是对传统机载雷达的一次革命，极大地扩展了雷达的应用领域和提高了雷达的工作性 能，进而提高和丰富了作战飞机执行任务的能力和作战模式。APAR已经成为下一代火控雷 达发展的必然趋势，是第四代战斗机的主要标志，也是提高我国国防实力的重要因素之一。

由于有源相控阵天线中的T/R组件和辐射单元总是存在精度超差现象，将直接影响天 线副瓣电平、带宽等电性能指标。辐射面平面度的均方根误差时常超差，而平面度与天线 的副瓣电平、波束指向、增益等电性能指标密切相关。天线中密布数百到数千个T/R组件， 热功率非常高，发热量通常在kW量级，温度上升将会导致辐射腔体的变形与器件温度漂 移，对电磁波传输产生影响，最终影响辐射单元的电磁指标。同时，由于APAA主要用于 火控雷达，所以机载高速运动和振动产生的较大温差变化，将导致阵列天线的阵面变形， 进而影响其定位精度，使弹着点产生较大偏差，最终丢失打击目标。另外，相控阵雷达工 作环境因素也会导致天线结构发生变形。可见，APAA结构作为电磁信号传输的载体与边 界条件，其位移场直接影响着电磁场幅度与相位的分布，同时，天线阵列的温度场也影响 结构位移场的分布。也就是说，APAA结构设计、电磁设计、热设计之间存在着紧密的相 互影响、相互制约的关系，属于多场耦合问题，称之为机电热耦合问题。

天线作为机电一体化系统，不仅其结构设计要满足强度和刚度要求，而且要通过热设 计来降低热功耗的影响，但更为重要的是要最终实现满足指标要求的天线电性能。所以， 应通过对APAA机电热耦合问题的研究，基于外部载荷的分析，确定天线结构因素与温度、 电性能之间的影响关系，分析热设计对结构热变形的影响，以及结构变形与天线电性能之 间的数学关系，以实现天线最佳综合设计。由于现有技术中无法确定APAA结构变形与热 设计，以及结构变形与电性能之间的定量关系，导致目前APAA结构设计、热设计与电磁 设计之间是分别单独进行的，这直接制约着我国国防下一代武器装备——第四代战斗机机 载火控雷达的研制周期与成本。随着雷达天线向高频段、高增益，低副瓣、高性能，超宽 带、高精度的方向发展，APAA的机电热耦合问题将更为突出。

目前，国内外解决有源相控阵天线机电热设计分离问题最常用的方法有如下几种：

(1)从假设天线阵面结构变形的角度进行分析，多数采用概率的方法对阵列天线随机误 差对相控阵天线性能的影响进行研究。如在H.S.C.Wang.Performance of phased-array antennas with mechanical errors.IEEE Trans.Aerospace and Electronic Systems，VOL.28，NO.2， April 1992中采用的就是假设结构变形方法。但这仅是假设天线结构误差符合某种分布情 形，并没有根据结构有限元分析来研究实际情形下的结构误差对APAA电性能的影响。

(2)从综合角度对天线进行集成设计，用优化分析方法把热、结构、电磁的设计指标要 求进行统一考虑，这种方法考虑了机电综合设计的好处。如在H.M.Adelman，S.L.Padula. Integrated thermal-structural-electromagnetic design optimization of large space antenna reflectors.NASA-TM-87713，1986中所采用的方法就是这种综合优化方法。但该方法没有从 根本上分析天线温度分布如何影响结构变形，以及结构变形又是如何影响天线电性能的， 即不能在满足电性能指标前提下给出降低结构设计和热设计难度的方案。