基于機電耦合與傅里葉變換的變形面陣天線電性能補償方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于天線技術領域，具體涉及基于機電耦合與傅里葉變換的變形面陣天線 電性能補償方法。
【背景技術】
[0002] 天線廣泛應用于通信、廣播、電視、雷達和導航等無線電系統中，可輻射和接收無 線電波，是無線電通信中必不可少的裝置。相比于單部天線，面陣天線輻射強度大、可靠性 高、功能多、探測和跟蹤能力強、隱身性能好，因此廣泛應用于各種雷達系統、導航系統和電 子對抗等領域中。
[0003] 天線是雷達系統的核心組成部分，雷達系統的性能在很大程度上取決于天線的電 性能。天線結構是天線電性能實現的載體，天線位移場的變化直接影響著天線電磁場在空 間中的幅度和相位分布。當天線服役時，工作環境載荷如自重、雨雪、太陽照射、振動、沖擊 等均會改變天線結構性能，使天線產生結構誤差，而天線在加工、裝配過程中其結構也會產 生隨機誤差，這均會使天線輻射單元產生位置誤差，最終導致天線增益下降、副瓣抬高、指 向偏差。天線電性能的降低會直接導致雷達系統性能的下降，甚至無法實現。因此，為了降 低結構誤差對面陣天線電性能的影響，確保雷達系統能夠正常工作，必須對天線電性能進 行補償。
[0004] 有源補償方法是天線電性能補償的主要方式，對天線電性能進行有源補償即通 過調整天線輻射單元的激勵電流來補償天線電性能的變化，因此，在有源補償方法中，準 確獲得變形天線激勵電流的補償量提高變形天線的電性能，是補償方法是否有效的關 鍵。國內外學者在使用有源補償方法對變形天線電性能進行補償方面進行了很多工作， 如在 Svensson B, Lanne M, ffingard J, et al. Element position error compensation in active phased array antennas[C]//2010 Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation. 2010中即通過調整天線的激勵電流對天線 的單元位置誤差進行了補償，然而，該單元位置誤差是假設服從高斯分布，并非實際工況 下天線結構誤差，因此，該方法得到的激勵電流補償量并不是補償天線實際結構誤差引起 的電性能變化。此外，在 Tsao J. Adaptive phase compensation for distorted phased array by minimum sidelobe response criteria[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium. Merging Technologies for the 90's.Digest. IEEE，1990:1466-1469工作中，對變形相控陣天線電性能的補償，僅通常調整天線單元激勵 電流的相位來實現，然而，調整激勵電流的相位只能對天線的波束指向進行補償，天線的副 瓣電平不會得到有效補償，而激勵電流的幅度與天線增益和副瓣電平等直接相關，因此，應 該對激勵電流的相位和幅度同時進行調整，才能夠使天線的電性能滿足要求。
[0005] 因此，為了確保服役環境下面陣天線正常工作，如何通過調整激勵電流幅度和相 位，來補償實際工況下變形面陣天線電性能已成為目前本領域目前亟待解決的技術問題。
【發明內容】
[0006] 基于上述問題，為了補償面陣天線在實際工作環境中電性能的下降，本發明使用 陣列天線機電耦合模型，得到工作環境載荷下天線電性能的變化量，并結合FFT方法對所 有的面陣天線輻射單元的激勵電流幅度和相位進行調整，補償變形陣列天線的電性能，確 保了服役環境下面陣天線可以正常工作。該方法可有效解決因工作載荷導致的面陣天線電 性能惡化問題，保證面陣天線在服役環境下正常工作，此外，該方法可快速實現對變形面陣 天線電性能的補償，為實時補償天線電性能提供理論指導。
[0007] 實現本發明的技術解決方案是，確定M行N列的面陣天線即M個線陣天線的結構 參數和電磁參數；根據面陣天線結構參數，建立面陣天線結構有限元模型，分析得到面陣天 線結構變形量；提取第i (I < i < M)個線陣天線，使用線陣天線機電耦合模型，計算機載環 境下第i個線列天線變形后的電性能；將第i個變形線陣天線電性能分解為理想線陣電性 能和結構變形引起的線陣電性能變化項，分別對理想線陣電性能和線陣電性能變化項進行 快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT)，得到補償天線空間相位誤差的激勵電流 幅度和相位的調整量；判斷是否已對所有線陣天線計算了激勵電流幅度和相位的調整量， 如果滿足則得到了面陣天線單元激勵電流幅度和相位的調整量，否則提取下一個線陣天線 進行計算；將得到的面陣天線單元的激勵電流幅度和相位的調整量，帶入面陣天線機電耦 合模型，計算變形面陣天線電性能；判斷補償后的變形面陣天線電性能是否滿足指標要求， 如滿足，則表明得到了補償變形面陣天線電性能最優的激勵電流幅度和相位調整量，使面 陣天線在服役環境下達到最優工作性能；否則，修改面陣天線的結構參數，重復上述步驟直 至滿足要求為止。
[0008] 本發明是通過以下技術方案實現的：
[0009] 基于機電耦合與傅里葉變換的變形面陣天線電性能補償方法，包括如下過程：
[0010] (1)根據M行N列的面陣天線即M個線陣天線的結構參數，確定面陣天線幾何模型 參數、材料屬性，同時確定面陣天線工作參數；
[0011] (2)根據面陣天線幾何模型參數及材料屬性，建立面陣天線結構有限元模型；根 據面陣天線安裝形式確定天線有限元模型的約束條件；對面陣天線有限元模型施加機載隨 機振動功率譜，計算面陣天線結構變形量，并提取面陣天線福射單元的中心節點在X，y, z 方向上的位置偏移量；
[0012] (3)提取M個線陣天線中第i(l < i SM)個線陣天線以及其輻射單元中心節點的 位置偏移量，使用線陣天線機電耦合模型，計算機載環境下第i個線陣天線變形后的電性 能；
[0013] (4)將第i個變形線陣天線電性能分解為理想線陣電性能和結構變形引起的線陣 電性能變化項，其中，線陣電性能變化項由理想線陣電性能的激勵電流以及結構變形引起 的天線空間相位誤差組成；
[0014] (5)分別對理想線陣電性能和線陣電性能變化項進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT)，得到補償天線空間相位誤差的激勵電流幅度和相位的調整量；
[0015] (6)判斷是否已對所有M個線陣天線計算了激勵電流幅度和相位的調整量，如果 是，則得到了 M個線陣天線激勵電流幅度和相位的調整量，否則提取下一個線陣天線，并重 復步驟（3)到步驟（6);
[0016] (7)將得到的M個線陣天線，即所有的面陣天線的激勵電流幅度和相位的調整量， 帶入面陣天線機電耦合模型，計算變形面陣天線電性能；
[0017] (8)判斷補償后的變形面陣天線電性能是否滿足指標要求，如果滿足，則表明得到 了補償變形面陣天線電性能最優的激勵電流幅度和相位調整量，使面陣天線在服役環境下 達到最優工作性能；否則，修改面陣天線的結構參數，，并重復步驟（1)到步驟（7)，直至滿 足要求。
[0018] 所述步驟（1)中，面陣天線的幾何模型參數，包括面陣天線輻射單元的位置分布、 個數、尺寸、單元間距，T/R組件、冷板和加強筋的尺寸參數；所述面陣天線的材料屬性，包 括密度P、彈性模量E和泊松比y ;所述面陣天線的電磁工作參數，包括面陣天線的中心工 作頻率f、激勵電流的幅度和相位。
[0019] 所述步驟（2)中，面陣天線的結構變形量計算，根據面陣天線的結構參數及材料 屬性，建立面陣天線結構有限元模型，根據面陣天線實際安裝確定面陣天線有限元模型約 束條件，加載機載隨機振動功率譜，計算面陣天線福射單元中心節點在X，y, z方向上的位 置偏移量。
[0020] 所述步驟（3)中，使用線陣天線機電耦合模型，計算的第i個變形線陣天線電性能 通過下式實現：
[0022] 式中，d為輻射單元間距，Iin為第i個線陣天線中第n個輻射單元理想線陣電性 能的激勵電流，Ifn =為,exp(/仍J，其中Ain為激勵電流幅度，為激勵電流相位，k為波 常數，j為虛數單位；k = 23i/A，A為面陣天線工作波長，0為線陣天線俯仰角，AyiJP A "分別為第i個線陣中，第n個輻射單元產生的沿y向和z向的位置誤差，A y i。和A z 1(] 分別為第i個線陣中，第〇個輻射單元即初始輻射單元在y向和z向的位置誤差。
[0023] 所述步驟（4)中，將第i個變形線陣天線電性能分解為理想線陣電性能和結構變 形引起的線陣電性能變化項，按照如下過程進行：
[0024] 當線陣天線輻射單元的結構變形量不大于0. 06 A / Ji cos ( A /2d)時，根據指數函
對變形線陣天線的陣因子方向圖進行分解：
線陣天線結構變形引起的電性能變化項；fla( 9 )表示第i個線陣天線理想電性能。
[0027] 為了對線陣理想電性能和電性能變化項進行后續快速傅里葉變換，使用U表示 sin 0，則fia( 0 )和fiae( 0 )分別表示為：
[0030] 所述步驟（5)中，分別對第i個變形線陣天線的理想線陣電性能以及電性能變化 項進行FFT變換，按照如下進行：<