[发明专利]一种机身共形阵列天线的单元布局与电磁设计方法

说明书

技术领域

本发明属于机载共形阵列天线技术领域，具体涉及到一种机身共形阵列天线的单元布局与电磁设计方法。

背景技术

目前，世界上现役的预警机雷达主要有“圆盘式”和“平衡木式”这两大类，它们的共同点是将雷达安装于载机平台的机背中后部。由于雷达凸出于机体安装，这样的设计方案严重影响了预警机的空气动力学性能，且不利于机体和雷达隐身。

以色列的“费尔康”预警机采用了将雷达安装于机体内的设计方案，但机身两侧的天线阵依然采用的平面阵列天线形式，不可避免地带来了平面阵列天线的一些缺点。例如，平面阵列天线的波束扫描范围限制于±60°，当波束扫描角度继续增大时，会出现波束展宽，增益下降，副瓣抬高等问题。

总的来说，当前的预警机雷达设计方案已严重制约了其进一步发展的可能。而随着共形阵列天线技术的发展，如将天线与机身共形形成机身共形阵列天线，则可有望替换预警机雷达设计方案，进一步提升预警机雷达各方面性能，尤其是在改善空气动力学性能、雷达波束扫描范围以及雷达隐身等方面。

关于共形阵列天线的设计已有很多研究，但大部分都是基于规则的载体形状，如圆柱、圆锥、球等。这类共形阵列天线的阵元位置确定较为容易，其设计方法相对简单。研究中也有一些关于机翼、导弹头等载体的共形阵列天线的设计方法，但一般都是将载体等效成规则形状，虽然在一定程度上简化了设计方法，但缺少了阵列天线共形的特点，导致与实际情况相差甚远，难以满足机身这种不规则载体形状上共形阵列天线的设计需求。

与传统的平面阵列天线一样，机身共形阵列天线的电性能不仅取决于天线单元的布局设计(单元个数和空间位置)，还与电磁设计(各单元的激励幅度和相位)相关。机身共形阵列天线单元的布局设计由机身外形特性决定，电磁设计好坏则由综合设计方法决定。在指定波束扫描范围内和满足要求的电性能的前提下，综合机身共形阵列天线的单元激励幅度和相位信息是一个十分重要的研究课题。机身共形阵列天线的单元激励综合是一个非线性问题，传统的综合方法不再适用。粒子群(PSO)优化算法是一种智能优化算法，不需要梯度信息，能够有效地解决该问题。但是对于机身共形阵列天线这种大阵(单元数目多)来讲，将每一个天线单元激励都作为优化变量是不现实的，不仅会降低优化速度还会带来因阵列幅度振荡所引起的方向图变形等问题。为此，本发明利用修正的伯恩斯坦多项式以减少变量个数，与粒子群优化算法进行结合进行机身共形阵列天线的综合设计。

发明内容

发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明公开了一种机身共形阵列天线的单元布局与电磁设计方法。首先结合载机平台的实际机身模型，通过机身模型上的采样点构建拟合模型，根据阵列天线设计原则，给出了一种机身共形阵列天线单元布局形式。然后，基于坐标旋转的数学理论建立机身共形阵列天线的远场方向图分析模型。最后，采用修正的伯恩斯坦多项式降低天线单元激励幅度设计变量个数，利用粒子群优化算法最小化副瓣电平，以满足电性能要求。本发明可用于指导机身共形阵列天线的设计。

技术方案：一种机身共形阵列天线的单元布局与电磁设计方法，包括以下步骤：

(1)建立机体坐标系，对采样点进行拟合，得到机身拟合模型

坐标原点o为机鼻顶点，坐标x轴为机身轴向，从机尾指向机头，坐标z轴垂直机体竖直向上，坐标y轴根据右手定则确定，然后通过最小二乘法对实际机身模型采样点p_i(x_i,y_i,z_i),(i＝1,2,…,K)进行多项式拟合，得到机身截面曲线，其表达式如下：

y²+0.394z²-0.081yz-1.8474y-1.3064z+0.11368＝0，

其中:

K表示采样点数；

1.792m≤y≤2.396m；

0.0173m≤z≤2.396m；

(2)根据机身结构特点设计单元排列形式，确定单元间距，根据电性能指标初步确定单元数目以及阵列行列数

单元沿机身轴向和机身截面曲线排列，共形阵列天线整体形式为六边形，确定阵列周向单元弧长间距和阵列轴向单元间距d_x，根据阵列增益G和波束宽度2θ_0.5的要求，初步确定机身共形阵列天线单元数目，并在此基础上确定阵列行列数；

(3)确定单元在机身上的位置坐标r_nm，r_nm的表达式如下：