[发明专利]基于机电耦合理论的变形阵列天线远场方向图分析方法

说明书

本发明公开了一种基于机电耦合理论的变形阵列天线远场方向图分析方法，包括阵列天线结构几何模型建立；阵列天线结构有限元模型的建立；辐射单元位置坐标的提取；根据辐射单元位置坐标计算辐射单元的空间相位参数以及考虑互耦效应的等效激励参数，最后根据阵列天线远场方向图计算表达式得到变形阵列天线辐射远场方向图，据此可求解相关电磁性能参数，分析结构变形对阵列天线电性能的影响关系。本发明可精确分析变形阵列天线辐射特性，对于实际工作中的阵列天线电性能分析具有很强的工程意义。

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于机电耦合理论的变形阵列天线远场方向图分析方法，可用于指导实际工作中的阵列天线电性能分析。

背景技术

阵列天线发展至今已有百余年历史，由于其具有易于实现窄波束、低副瓣、多波束和相控波束扫描的能力，被广泛用于无线电通信系统与雷达系统中。实际工作中的阵列天线会由于重力、风等外载荷产生变形(假定只造成阵元位置偏移，未造成指向偏转)，进而造成天线的辐射性能退化，即与理想远场方向图产生偏差。

已有许多方法用于变形阵列天线远场方向图分析，但是这些方法很少考虑互耦效应。然而互耦效应是天线实际工作过程中不可忽视的重要因素之一。天线的机械误差会造成阵元的位置发生改变，一方面会使得阵元空间相位发生改变；另一方面，由于阵元间相对位置发生变化，进而影响其互耦效应，以上两者综合作用使变形阵列天线辐射方向图与理想方向图产生偏差，不能满足工程设计要求。

发明内容

针对现有变形阵列天线电性能分析方法的不足，本发明提供了一种基于机电耦合理论的变形阵列天线远场方向图分析方法，该方法考虑了阵元间的互耦效应，能够精确分析变形阵列天线远场方向图，对实际工作中的阵列天线辐射性能预测具有重要意义。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于机电耦合理论的变形阵列天线远场方向图分析方法，包括如下步骤：

(1)根据天线的实际工程需求，确定阵列天线结构几何参数以及材料参数，

(2)根据阵列天线结构几何参数与材料参数，建立阵列天线结构几何模型；

(3)根据阵列天线结构几何模型及其工作环境，建立结构有限元分析模型；

(4)根据阵列天线的结构有限元模型，确定变形阵列天线辐射单元位置坐标；

(5)由辐射单元位置坐标，确定辐射单元空间相位参数以及考虑互耦效应的等效激励值；

(6)根据辐射单元空间相位参数及其等效激励值，计算阵列天线远场方向图，分析其辐射特性。

进一步，所述步骤(1)中，阵列天线几何参数包括辐射单元形式、阵元栅格排布形式和阵元间局；材料参数包括弹性模量、泊松比、热膨胀系数和密度。

进一步，所述步骤(3)中，建立阵列天线结构有限元模型，按照如下步骤进行：

(3a)建立阵列天线的辐射单元、背架结构和加强筋的有限元结构；

(3b)确定阵列天线工作环境参数，包括重力载荷、风载荷、温度载荷和雨雪载荷；

(3c)施加相应边界条件，即将步骤(3b)中的载荷施加到载荷作用的节点以及将支撑节点进行位移约束。

进一步，所述步骤(4)中，根据阵列天线结构有限元模型，确定变形阵列天线辐射单元位置坐标，按照如下步骤进行：

(4a)确定天线结构有限元离散节点位移信息，包括天线结构的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、结构节点载荷列阵、结构节点的位移列阵、速度列阵以及加速度列阵；

(4b)选择辐射单元所在节点位移信息；