一種結構電氣一體化波導網絡設計方法和結構與流程
本發明屬于波導技術領域，尤其涉及一種結構電氣一體化波導網絡設計方法和結構。
背景技術：
高超聲速飛行器與周圍的空氣劇烈摩擦使周圍的空氣溫度急劇上升，致使彈體表面材料和空氣發生電離，在彈體周圍形成等離子鞘套，無線電波通過等離子鞘套時會造成信號衰減，嚴重時會造成無線電信號中斷，試驗表明ka頻段信號可提高通信頻率，降低等離子體的影響。
ka頻段信號在ka頻段設備和ka天線間傳輸，但ka頻段信號在傳統的高頻電纜中衰減較大，需采用高頻波導來替代高頻電纜進行信號的低損耗傳輸。高頻波導屬于金屬結構件且具有電氣性能，主要是應用金屬腔體對信號進行傳輸，因此波導網絡的應用對空間結構提出了一定的設計要求。同時，高超聲速飛行器艙體布局緊湊、儀器安裝空間復雜，且波導網絡的安裝結構會影響其電氣性能，這進一步增加了波導網絡的設計難度。
技術實現要素：
本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種結構電氣一體化波導網絡設計方法和結構，實現了波導網絡的合理布局，確保了電氣性能。
為了解決上述技術問題，本發明公開了一種結構電氣一體化波導網絡設計方法，包括：
根據已安裝固定的ka頻段設備和已安裝固定的ka天線之間的第一相對位置，選擇與所述第一相對位置相匹配的第一金屬波導；
根據所述ka頻段設備的安裝位置，確定所述第一金屬波導的安裝位置并安裝；
根據安裝后的第一金屬波導與所述ka天線之間的第二相對位置，選擇與所述第二相對位置相匹配的第一柔性波導；
根據選擇的第一金屬波導和第一柔性波導，通過結構數字模裝，模擬設備間的插接，得到多個備選波導網絡；
分別計算所述多個備選波導網絡對應的通信鏈路的第一信號衰減，將第一信號衰減小于等于總衰減閾值的一個或多個備選波導網絡作為設計波導網絡。
在上述結構電氣一體化波導網絡設計方法中，還包括：
根據飛行器儀器艙內的可用安裝空間，按照設定距離間隔，將ka頻段設備和ka天線安裝固定在所述飛行器儀器艙內的安裝支架上；其中，所述設定距離間隔為：200mm～300mm。
在上述結構電氣一體化波導網絡設計方法中，所述根據已安裝固定的ka頻段設備和已安裝固定的ka天線之間的第一相對位置，選擇與所述第一相對位置相匹配的第一金屬波導，包括：
根據已安裝固定的ka頻段設備和已安裝固定的ka天線之間的第一相對位置，確定所述ka頻段設備ka天線之間的可用空間；
從第一樣本集合中篩選得到滿足所述可用空間的p個備選金屬波導；其中，p≥1；
分別對所述p個備選金屬波導對應的信號衰減進行計算，得到各個備選金屬波導對應的第二信號衰減；
將第二信號衰減小于等于第一子衰減閾值的備選金屬波導確定為所述第一金屬波導；其中，所述第一子衰減閾值小于所述總衰減閾值。
在上述結構電氣一體化波導網絡設計方法中，通過如下公式計算備選金屬波導對應的信號衰減β1：
其中，
所述備選金屬波導的形狀包括如下形狀中的至少一種：t型、l型和u型。
在上述結構電氣一體化波導網絡設計方法中，所述根據安裝后的第一金屬波導與所述ka天線之間的第二相對位置，選擇與所述第二相對位置相匹配的第一柔性波導，包括：
根據安裝后的第一金屬波導與所述ka天線之間的第二相對位置，確定所述第一金屬波導與所述ka天線之間的距離；
從第二樣本集合中篩選得到滿足所述距離的q個備選柔性波導；其中，q≥1；
分別對所述q個備選柔性波導對應的信號衰減進行計算，得到各個備選柔性波導對應的第三信號衰減；
將第三信號衰減小于等于第二子衰減閾值的備選柔性波導確定為所述第一柔性波導；其中，所述第二子衰減閾值小于所述總衰減閾值。
在上述結構電氣一體化波導網絡設計方法中，通過如下公式計算備選柔性波導對應的信號衰減β2：
β2＝cn+dl
其中，c和d分別表示備選柔性波導的插頭衰減系數和長度衰減系數，n表示備選柔性波導的插頭數量，l表示備選柔性波導的長度。
在上述結構電氣一體化波導網絡設計方法中，還包括：
根據安裝后的第一金屬波導和所述第一柔性波導之間的第三相對位置，選擇與所述第三相對位置相匹配的波同轉換插頭；
使用所述波同轉換插頭，將所述第一金屬波導與所述第一柔性波導進行連接；
其中，所述波同轉換插頭的形狀包括如下形狀中的至少一種：l型和i型；所述波同轉換插頭的信號衰減β3：β3＝τm；其中，τ表示波同轉換插頭的衰減系數，m表示波同轉換插頭的數量。
在上述結構電氣一體化波導網絡設計方法中，所述分別計算所述多個備選波導網絡對應的通信鏈路的第一信號衰減，將第一信號衰減小于等于總衰減閾值的一個或多個備選波導網絡作為設計波導網絡，包括：
分別計算第一金屬波導的信號衰減、第一柔性波導的信號衰減和波同轉換插頭的信號衰減；
將計算得到的第一金屬波導的信號衰減、第一柔性波導的信號衰減和波同轉換插頭的信號衰減之和，作為所述第一信號衰減。
在上述結構電氣一體化波導網絡設計方法中，還包括：
根據所述第一金屬波導的安裝位置和所述第一金屬波導的結構尺寸，選擇多個支撐支架；
將所述多個支撐支架的固定端按照設定間隔安裝在飛行器儀器艙內；其中，所述多個支撐支架的支撐端與所述第一金屬波導連接，用于支撐所述第一金屬波導；
其中，所述設定間隔為：200mm；支撐支架的支撐端長度為50mm，壁厚為2mm；支撐支架的截面為三角形。
相應的，本發明還公開了一種結構電氣一體化波導網絡結構，包括：ka頻段設備、ka天線、金屬波導、柔性波導和波同轉換插頭和多個支撐支架；
所述ka頻段設備和ka天線按照設定距離間隔安裝在飛行器儀器艙內的安裝支架上；
金屬波導與ka頻段設備連接；
金屬波導通過波同轉換插頭與所述柔性波導的首端連接；
所述柔性波導的末端與所述ka天線連接；
所述多個支撐支架的固定端按照設定間隔安裝在飛行器儀器艙內；所述多個支撐支架用于支撐所述金屬波導。
本發明具有以下優點：
(1)本發明所述的結構電氣一體化波導網絡設計方法，根據ka頻段設備和ka天線之間的相對位置，分別進行金屬波導-柔性波導的波導網絡設計，在合理布局波導網絡的同時，進行通信鏈路的信號衰減計算，確保波導網絡的電氣性能滿足指標要求，實現了波導網絡的結構電氣一體化設計。
(2)本發明所述的結構電氣一體化波導網絡設計方法，實現了波導網絡敷設路徑的優化，壓縮了波導空間，減少了鏈路衰減，提升了電氣性能。
(3)本發明所述的結構電氣一體化波導網絡設計方法，可在確保鏈路可靠的前提下，采用柔性波導替代金屬波導，柔性波導與金屬波導相結合的方式增加了波導網絡的可設計性。
(4)本發明所述的結構電氣一體化波導網絡設計方法，綜合考慮了金屬波導的折彎半徑、腔體長度等結構參數，采用了波同轉換的設計方案，提升了工藝性。
(5)本發明所述的結構電氣一體化波導網絡設計方法，ka頻段設備與金屬波導之間采用波導網絡機械接口的協同設計，降低了金屬波導的安裝難度，此外，支撐支架的設計提高了金屬波導的整體剛度，提升了金屬波導的連接可靠性。
附圖說明
圖1是本發明實施例中一種結構電氣一體化波導網絡設計方法的步驟流程圖；
圖2是本發明實施例中一種ka頻段設備和ka天線的安裝示意圖；
圖3是本發明實施例中一種結構電氣一體化波導網絡結構的結構示意圖；
圖4是圖3中所示的金屬波導的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明公共的實施方式作進一步詳細描述。
本發明公開了一種結構電氣一體化波導網絡設計方法和結構，適用于高超聲速飛行器艙體的復雜空間結構，通過結構數字模裝，模擬設備間的插接，以此確定波導網絡空間包絡，完成波導網絡的空間設計。在設計波導網絡的同時，進行通信鏈路衰減計算，確保波導電性能滿足指標要求，實現電氣結構一體化設計。
參照圖1，示出了本發明實施例中一種結構電氣一體化波導網絡設計方法的步驟流程圖。在本實施例中，所述結構電氣一體化波導網絡設計方法，包括：
步驟101，根據飛行器儀器艙內的可用安裝空間，按照設定距離間隔，將ka頻段設備和ka天線安裝固定在所述飛行器儀器艙內的安裝支架上。
在本實施例中，可以根據飛行器儀器艙內的可用安裝空間，將ka頻段設備和ka天線臨近安裝，優選的，所述設定距離間隔為：200mm～300mm(包括200mm和300mm)。其中，所述設定距離間隔是指：ka頻段設備與ka天線的設備接口之間的直線距離。
步驟102，根據已安裝固定的ka頻段設備和已安裝固定的ka天線之間的第一相對位置，選擇與所述第一相對位置相匹配的第一金屬波導。
在本實施例中，根據已安裝固定的ka頻段設備和已安裝固定的ka天線之間的第一相對位置，可以確定所述ka頻段設備ka天線之間的可用空間；進而，可以從第一樣本集合中篩選得到滿足所述可用空間的p(p≥1)個備選金屬波導；分別對所述p個備選金屬波導對應的信號衰減進行計算，得到各個備選金屬波導對應的第二信號衰減；將第二信號衰減小于等于第一子衰減閾值的備選金屬波導確定為所述第一金屬波導。
其中，所述第一子衰減閾值小于所述總衰減閾值。所述第一樣本集合可以是根據歷史經驗數據(大數據)等任意方式得到的金屬波導的集合，所述第一樣本集合中可以包括：適用于任意空間大小的各類形狀、尺寸、大小等各不相同的備選金屬波導。如，所述備選金屬波導的形狀包括如下形狀中的至少一種：t型、l型和u型。
優選的，在本實施例中，可以通過如下公式計算備選金屬波導對應的信號衰減β1：
其中，
步驟103，根據所述ka頻段設備的安裝位置，確定所述第一金屬波導的安裝位置并安裝。
在本實施例中，可以將第一金屬波導直接與ka頻段設備連接安裝，也即，根據所述ka頻段設備的安裝位置，確定所述第一金屬波導的安裝位置并安裝。
步驟104，根據安裝后的第一金屬波導與所述ka天線之間的第二相對位置，選擇與所述第二相對位置相匹配的第一柔性波導。
ka金屬波導電性能好，但占用空間，ka柔性波導相比金屬波導柔性好，可設計性強，但信號衰減大，二者兼顧使用可優化波導網絡的電氣性能與結構性能。在本實施例中，采用金屬波導和柔性波導結合的設計方法，重點統籌考慮柔性波導的直徑、拐彎半徑、接頭直線段長度等參數，保證在采用柔性波導替代金屬波導之后，整體波導網絡能夠同時滿足空間插接要求和電氣性能指標要求。
在本實施例中，根據安裝后的第一金屬波導與所述ka天線之間的第二相對位置，可以確定所述第一金屬波導與所述ka天線之間的距離；進而，可以從第二樣本集合中篩選得到滿足所述距離的q(q≥1)個備選柔性波導；分別對所述q個備選柔性波導對應的信號衰減進行計算，得到各個備選柔性波導對應的第三信號衰減；將第三信號衰減小于等于第二子衰減閾值的備選柔性波導確定為所述第一柔性波導。
其中，所述第二子衰減閾值小于所述總衰減閾值。所述第二樣本集合可以是根據歷史經驗數據(大數據)等任意方式得到的柔性波導的集合，所述第二樣本集合中可以包括：適用于任意空間大小的各類直徑、拐彎半徑、接頭直線段長度等各不相同的備選柔性波導。
優選的，在本實施例中，可以通過如下公式計算備選柔性波導對應的信號衰減β2：
β2＝cn+dl
其中，c和d分別表示備選柔性波導的插頭衰減系數和長度衰減系數，n表示備選柔性波導的插頭數量，l表示備選柔性波導的長度。
步驟105，根據選擇的第一金屬波導和第一柔性波導，通過結構數字模裝，模擬設備間的插接，得到多個備選波導網絡。
在本實施例中，通過結構數字模裝，可以模擬多種可行的插接方式，實現設備間的插接，進而得到多個備選波導網絡。
步驟106，分別計算所述多個備選波導網絡對應的通信鏈路的第一信號衰減，將第一信號衰減小于等于總衰減閾值的一個或多個備選波導網絡作為設計波導網絡。
在本實施例中，需要綜合考慮備選波導網絡的結構和電氣性能，故在得到多個備選波導網絡之后，還需要對備選波導網絡的電氣性能進行驗證：分別計算所述多個備選波導網絡對應的通信鏈路的第一信號衰減，將第一信號衰減小于等于總衰減閾值的一個或多個備選波導網絡作為最終用于應用的設計波導網絡。
在本發明的一優選實施例中，考慮到金屬波導拐彎帶來的彎邊工藝性難題，還可以根據安裝后的第一金屬波導和所述第一柔性波導之間的第三相對位置，選擇與所述第三相對位置相匹配的波同轉換插頭；使用所述波同轉換插頭，將所述第一金屬波導與所述第一柔性波導進行連接；進而減少第一金屬波導的拐彎數量，簡化工藝流程。其中，所述波同轉換插頭的形狀包括如下形狀中的至少一種：l型和i型，滿足插接多樣性需求，波同轉換插頭的設計改變了接口的插接方向，避免了金屬波導拐彎帶來的彎邊工藝性難題。
其中，所述波同轉換插頭的信號衰減β3：β3＝τm；其中，τ表示波同轉換插頭的衰減系數，m表示波同轉換插頭的數量。此外，所述波同轉換插頭還需要滿足一定的端口駐波比(如，≤1.2：1)。
進一步優選的，在本實施例中，在進行第一信號衰減計算時，可以采用如下分步計算方式：分別計算第一金屬波導的信號衰減、第一柔性波導的信號衰減和波同轉換插頭的信號衰減；將計算得到的第一金屬波導的信號衰減、第一柔性波導的信號衰減和波同轉換插頭的信號衰減之和，作為所述第一信號衰減。
在本發明的一優選實施例中，為追求電性能，金屬波導一般為鋁制腔體結構，剛度較差，在飛行器極端振動和噪聲環境下易失穩，為了解決這一問題，本發明還設計了用于支撐所述金屬波導的支撐支架。優選的，所述結構電氣一體化波導網絡設計方法，還可以包括：
步驟107，根據所述第一金屬波導的安裝位置和所述第一金屬波導的結構尺寸，選擇多個支撐支架。
步驟108，將所述多個支撐支架的固定端按照設定間隔安裝在飛行器儀器艙內。
在本實施例中，所述多個支撐支架的支撐端與所述第一金屬波導連接，用于支撐所述第一金屬波導。其中，所述設定間隔可以但不僅限于為：200mm；支撐支架的支撐端長度可以但不僅限于為50mm，壁厚可以但不僅限于為2mm；支撐支架的截面可以但不僅限于為三角形。
結合上述實施例，本實施例通過一個實際應用場景為例進行詳細說明。
步驟s1，安裝ka頻段設備和ka天線。
參照圖2，示出了本發明實施例中一種ka頻段設備和ka天線的安裝示意圖。在本實施例中，可以根據飛行器儀器艙內的可用安裝空間，確定ka頻段設備和ka天線在設備安裝支架上的安裝位置，因設備和天線間用波導連接，故在安裝時確保ka頻段設備和ka天線的距離相近(臨近安裝)，如此布局下的波導敷設長度較短。
步驟s2，確定金屬波導的結構形式。
如圖2，在ka頻段設備和ka天線安裝完成之后，可以確定ka頻段設備和ka天線之間的波導安裝空間，進而確定金屬波導的結構形式。如圖2，波導安裝空間狹長，兼顧考慮金屬波導與ka設備的接口，可以選擇t型、l型或u型等與狹長空間相適應的金屬波導。優選的，在選型時，可以綜合比較每種波導形式的信號衰減、剛度、質量，最終確定金屬波導的最優結構形式。在本實施例中，通過比較最終選擇t型作為金屬波導的最優結構形式。
需要說明的是，在設計波導網絡的同時需要保證波導網絡的電氣性能，實現電氣結構一體化設計。在ka頻段設備-波導-ka天線構成的整個ka鏈路中，整個ka鏈路的信號衰減需要小于等于一個預設的總衰減閾值。如，根據工程經驗可以確定：整個ka鏈路的信號衰減β≤8db。
如前所述，在本實施例中，選擇了t型金屬波導，所述t型金屬波導的結構尺寸滿足圖2所示的波導安裝空間，同時，根據前述信號衰減β1的計算公式，可以計算得到當前t型金屬波導的信號衰減β1'為3.5db。
步驟s3，確定柔性波導。
在本實施例中，基于前述步驟s1和s2確定的波導安裝空間和金屬波導的結構形式，可以選擇對應匹配的柔性波導。在步驟s2中，t型金屬波導只是作為波導網絡的主體結構，并未實現設備與天線的連接，在此基礎上若繼續采用金屬波導，不僅拐彎半徑過小，且安裝困難，基于上述因素，采用了柔性波導設計，采用柔性波導實現設備與天線的連接。
優選的，結合圖2和上述步驟s1-2，可以選擇使用長度為640mm、兩端共2個插頭的柔性波導。其中，為了確保柔性波導的性能，可以基于前述信號衰減β2的計算公式，計算得到當前選擇的柔性波導的信號衰減β2'＝0.3×2+3×0.64＝2.52db。其中，0.3為根據工程經驗確定的優選的柔性波導的插頭衰減系數，3為根據工程經驗確定的優選的柔性波導的長度衰減系數，本實施例對此不作限制。
步驟s4，選擇波同轉換插頭。
在金屬波導敷設時，不可避免的會出現波導拐彎的情況，由于金屬波導為金屬腔體結構，彎邊結構將會增加工藝難度，在本實施例中，采用如l型或i型等任意適當形狀的波同轉換插頭，可以有效解決上述問題，同時，波同轉換插頭還具有電氣信號轉換功能。一般的單個鏈路中使用一個同軸轉換插頭。優選的，同軸轉換插頭的信號衰減可以為0.3db/個，也即，在本實施例中，波同轉換插頭的信號衰減β3'＝0.3x1＝0.3。
步驟s5，波導網絡是否滿足電氣性能要求。
在本實施例中，基于前述步驟，可以確定由金屬波導-波同轉換插頭-柔性波導構成的波導網絡。進而，基于確定的波導網絡可以確定整個ka鏈路的實際信號衰減：βsj＝β1'+β2'+β3'＝3.5+2.52+0.3＝6.32db＜8db，故，最終確定的波導網絡滿足ka鏈路的使用要求，也即，最終確定的波導網絡滿足電氣性能要求。
步驟s6，設置支撐支架。
如前所述，為追求電性能，金屬波導為鋁制腔體結構，剛度較差，在飛行器極端振動和噪聲環境下易失穩。在本實施例中，在完成波導網絡敷設后，可以在金屬波導每隔200mm處設置一個支撐支架，用于支撐所述金屬波導，有效提升了金屬波導長腔體結構的剛度，，由此完成了波導網絡的電氣結構一體化設計。
綜上所述，本發明實施例所述的結構電氣一體化波導網絡設計方法，根據ka頻段設備和ka天線之間的相對位置，分別進行金屬波導-柔性波導的波導網絡設計，在合理布局波導網絡的同時，進行通信鏈路的信號衰減計算，確保波導網絡的電氣性能滿足指標要求，實現了波導網絡的結構-電氣一體化設計。同時，實現了波導網絡敷設路徑的優化，壓縮了波導空間，減少了鏈路衰減，提升了電氣性能。
其次，本發明實施例所述的結構電氣一體化波導網絡設計方法，可在確保鏈路可靠的前提下，采用柔性波導替代金屬波導，柔性波導與金屬波導相結合的方式增加了波導網絡的可設計性。
再次，本發明實施例所述的結構電氣一體化波導網絡設計方法，綜合考慮了金屬波導的折彎半徑、腔體長度等結構參數，采用了波同轉換的設計方案，提升了工藝性。ka頻段設備與金屬波導之間采用波導網絡機械接口的協同設計，降低了金屬波導的安裝難度，此外，支撐支架的設計提高了金屬波導的整體剛度，提升了金屬波導的連接可靠性。
在上述方法實施例的基礎上，本發明還公開了一種結構電氣一體化波導網絡結構。參照圖3，示出了本發明實施例中一種結構電氣一體化波導網絡結構的結構示意圖。圖4，是圖3中所示的金屬波導的結構示意圖。結合圖3和4，在本實施例中，所述結構電氣一體化波導網絡結構，包括：ka頻段設備100、ka天線200、金屬波導300、柔性波導400和波同轉換插頭500和多個支撐支架(如圖3中所示的支撐支架600)。
在本實施例中，所述ka頻段設備和ka天線按照設定距離間隔安裝在飛行器儀器艙內的安裝支架700上；金屬波導與ka頻段設備連接；金屬波導通過波同轉換插頭與所述柔性波導的首端連接；所述柔性波導的末端與所述ka天線連接；所述多個支撐支架的固定端按照設定間隔安裝在飛行器儀器艙內；所述多個支撐支架用于支撐所述金屬波導。
對于裝置實施例而言，由于其與方法實施例相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例部分的說明即可。
本說明中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。
以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員的公知技術。
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