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專利名稱：基于機(jī)電耦合模型的變形對(duì)數(shù)周期天線電性能預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種水平極化扇形對(duì)數(shù)周期天線陣列電性能預(yù)測(cè)方法，用于指導(dǎo)對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電性能仿真分析與評(píng)價(jià)。
背景技術(shù)：
對(duì)數(shù)周期偶極天線(LOG-PERIODIC DIPOLE ARRAYS)簡(jiǎn)稱LPDA，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 性能優(yōu)良的極寬頻帶天線，它主要應(yīng)用于短波、超短波、微波等波段的通信、測(cè)向、搜索、電子對(duì)抗等方面，用途廣泛。簡(jiǎn)單舉例在短波波段，它可作為利用天波傳播的通信天線或測(cè)向天線；在超短波段，它可作為電視共用天線系統(tǒng)的理想接收天線或?qū)拵ㄐ拧㈦娮訉?duì)抗天線等；在微波波段，它常作為拋物面反射器、角形反射器天線或透鏡天線的饋源、以及相控陣天線中的輻射單元或超寬帶通信的通信天線。由于它的寬帶特性，常被用作電磁干擾、電磁兼容、縮距測(cè)試場(chǎng)及其它測(cè)試實(shí)驗(yàn)用天線。在實(shí)際的應(yīng)用中，為了增強(qiáng)天線的方向性，以及獲得更高的發(fā)射功率，大都是采用將對(duì)數(shù)周期天線進(jìn)行組陣的方法。首先，陣列天線在空間上可以實(shí)現(xiàn)方向上的電掃描能力，并使用多波束技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)真正的多目標(biāo)干擾能力； 其次使用陣列天線，在最優(yōu)激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)空間功率合成，從而解決單個(gè)功放輸出功率的限制。對(duì)于車載對(duì)數(shù)周期天線而言，除受到安裝精度影響外，還受到自身的重力載荷、車載環(huán)境中的振動(dòng)、隨機(jī)風(fēng)荷的作用。這些因素導(dǎo)致的變形會(huì)使集合線長(zhǎng)度和振子單元位置及自身形狀發(fā)生變化，從而使得各振子單元的電流分布改變，影響天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，降低天線的增益，破壞對(duì)數(shù)周期天線的非頻變特性。因此，有必要根據(jù)電性能的變化情況提出對(duì)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。也就是說，LPDA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電磁設(shè)計(jì)之間存在著緊密的相互影響、相互制約的關(guān)系，屬于多場(chǎng)耦合問題，稱之為機(jī)電耦合問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有對(duì)數(shù)周期偶極天線分析技術(shù)中往往忽視機(jī)械位移場(chǎng)和電磁場(chǎng)之間的耦合關(guān)系，而單獨(dú)考慮其一個(gè)方面的影響，導(dǎo)致LPDA結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)中機(jī)電分離。為此，本發(fā)明提出了一種基于機(jī)電耦合模型的變形對(duì)數(shù)周期天線電性能預(yù)測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)周期天線機(jī)電兩場(chǎng)耦合的電性能預(yù)測(cè)，用以指導(dǎo)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是，提供一種基于機(jī)電耦合模型的變形對(duì)數(shù)周期天線電性能預(yù)測(cè)方法，基于有限元分析得到對(duì)數(shù)周期天線在自重及隨機(jī)風(fēng)等環(huán)境載荷作用下引起的結(jié)構(gòu)位移，從而確定各振子單元的位置及自身變形，利用網(wǎng)絡(luò)理論得到各振子單元激勵(lì)電流的幅度和相位，再對(duì)各單元的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)用疊加定理，最終得到基于機(jī)電耦合分析后的天線電性能。該方法包括下述步驟(1)根據(jù)對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定其結(jié)構(gòu)有限元模型，得到每個(gè)振子單元各節(jié)點(diǎn)的理論坐標(biāo)產(chǎn)，兄0 ；(2)利用對(duì)數(shù)周期天線的有限元模型，確定其約束條件和邊界條件，根據(jù)重力、風(fēng)荷兩種環(huán)境載荷，確定該天線的全部等效載荷，得到包括每個(gè)振子單元各節(jié)點(diǎn)的位置偏移量> ，0，e在內(nèi)的結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)；(3)由振子單元各節(jié)點(diǎn)的理論坐標(biāo)產(chǎn)，兄0加上振子單元各節(jié)點(diǎn)的位置偏移量 > ，守，G得到變形后的位置坐標(biāo)(XTBd ；(4)根據(jù)振子單元中心節(jié)點(diǎn)的位置，計(jì)算各段集合線的長(zhǎng)度，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論計(jì)算出各振子單元中心饋電點(diǎn)的電流分布；(5)根據(jù)振子單元的位置及轉(zhuǎn)角，確定輻射單元位置變化在遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)處導(dǎo)致的空間相位誤差(6)利用振子單元的單元方向圖和其電流分布以及輻射場(chǎng)的相位分布，加上輻射單元的排列形式，計(jì)算對(duì)數(shù)周期天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖、波束指向和3dB波束寬度這些電性能參數(shù)；(7)根據(jù)對(duì)數(shù)周期天線的電性能指標(biāo)要求，判斷計(jì)算出的天線電性能參數(shù)是否滿足要求，如果滿足要求則天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合格；否則，修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并重復(fù)步驟(1)至步驟(6)，直至滿足要求。本發(fā)明進(jìn)一步的特征在于所述步驟( 確定輻射單元的相位差，按如下過程進(jìn)行(5a)設(shè)定目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)系O「xp所在的方向#，0以方向余弦表示為 Vcosa-cosS'cosa^，并根據(jù)目標(biāo)與坐標(biāo)系的空間幾何關(guān)系，得到目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)軸的夾角與方向余弦的關(guān)系為COsax sin 0 cos ^cosaj sin0sin0,COsaz cos θ ；式中，各個(gè)參數(shù)分別為目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)系O「x_yz所在的方向#，0的方向正弦和方向余弦；(5b)根據(jù)步驟(3)中得出的振子單元中心節(jié)點(diǎn)的變形后的位置坐標(biāo)(X7J7Z…得出該點(diǎn)距原點(diǎn)的距離《 ▲』W ；(5c)根據(jù)振子單元上下兩節(jié)點(diǎn)的位置(鄔爍功和( ; , )確定振子的偏轉(zhuǎn)角，
對(duì)X軸上方單元啾◎arctai^^^pQO，對(duì)x軸下方單元啾 arctan^iLpiI)*「90 ；
8 χπ ι xH (8 xn I ((5d)由幾何關(guān)系得出，振子單元中心節(jié)點(diǎn)與原點(diǎn)的連線應(yīng)和X軸的方位夾角嘰與振子自身轉(zhuǎn)角仍相等；(5e)由以上各子步計(jì)算輻射單元位置變化在遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)處空間相位差U卩對(duì)于
水平極化扇形對(duì)數(shù)周期天線陣列，其每個(gè)輻射單元對(duì)于第Aq單元的相位差為
ka sin θ cos(^)「仍)。所述步驟(6)，按如下過程進(jìn)行(6a)確定輻射單元的單元方向圖函數(shù)乓^，0，設(shè)振子單元長(zhǎng)度為21i，則其單元
方向圖函數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種基于機(jī)電耦合模型的變形對(duì)數(shù)周期天線電性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于包括如下過程(1)根據(jù)對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定其結(jié)構(gòu)有限元模型，得到每個(gè)振子單元各節(jié)點(diǎn)的理論坐標(biāo)(x, y，0)；(2)利用對(duì)數(shù)周期天線的有限元模型，確定其約束條件和邊界條件，根據(jù)重力、風(fēng)荷兩種環(huán)境載荷，確定該天線的全部等效載荷，得到包括每個(gè)振子單元各節(jié)點(diǎn)的位置偏移量 (Δχ, Δγ, Δζ)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)；(3)由振子單元各節(jié)點(diǎn)的理論坐標(biāo)(X，y，0)加上振子單元各節(jié)點(diǎn)的位置偏移量(Δχ， Δγ, Δ ζ)，得到變形后的位置坐標(biāo)(χ'，y'，ζ')；(4)根據(jù)振子單元中心節(jié)點(diǎn)的位置，計(jì)算各段集合線的長(zhǎng)度，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論計(jì)算出各振子單元中心饋電點(diǎn)的電流分布；(5)根據(jù)振子單元的位置及轉(zhuǎn)角，確定輻射單元位置變化在遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)處導(dǎo)致的空間相位誤差(6)利用振子單元的單元方向圖和其電流分布以及輻射場(chǎng)的相位分布，加上輻射單元的排列形式，計(jì)算對(duì)數(shù)周期天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖、波束指向和3dB波束寬度電性能參數(shù)；(7)根據(jù)對(duì)數(shù)周期天線的電性能指標(biāo)要求，判斷計(jì)算出的天線電性能參數(shù)是否滿足要求，如果滿足要求則天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合格；否則，修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并重復(fù)步驟(1)至步驟 (6)，直至滿足要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線電性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述步驟( 確定輻射單元的相位差，按如下過程進(jìn)行(5a)設(shè)定目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)系0-xyz所在的方向(θ，φ)以方向余弦表示為(cos α χ， cos α y，cos α z)，并根據(jù)目標(biāo)與坐標(biāo)系的空間幾何關(guān)系，得到目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)軸的夾角與方向余弦的關(guān)系為cos α x = sin θ cos Φ，cos α y = sin θ sin Φ，cos α ζ = cos θ ；式中，各個(gè)參數(shù)含義分別為目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)系Ο-xyz所在的方向(θ，φ)的方向正弦和方向余弦；(5b)根據(jù)步驟(3)中得出的振子單元中心節(jié)點(diǎn)的變形后的位置坐標(biāo)(χ'，y'，ζ')， 得出該點(diǎn)距原點(diǎn)的距離α = ^x'2 + /2 + ζ'2 ；(5c)根據(jù)振子單元上下兩節(jié)點(diǎn)的位置(x' n,r η, ζ' η)和(x' i2, y' i2，ζ' i2)確定振子的偏轉(zhuǎn)角，對(duì)X軸上方單元觀=arCtan ^31 +90，對(duì)X軸下方單元V Xil 一 Xi2 J(y' -y') φι = arctan 力,1 -90 ；V Xn ~ Xi2 y(5d)由幾何關(guān)系得出，振子單元中心節(jié)點(diǎn)與原點(diǎn)的連線應(yīng)和X軸的方位夾角％與振子自身轉(zhuǎn)角仍相等；(5e)由以上各子步計(jì)算輻射單元位置變化在遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)處空間相位差Δφ，即對(duì)于水平極化扇形對(duì)數(shù)周期天線陣列，其每個(gè)輻射單元對(duì)于第(0，0)單元的相位差為Δ 仍=ka sin θ cos(^> -φ)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線電性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于所述步驟(6)，按如下過程進(jìn)行(6a)確定輻射單元的單元方向圖函數(shù)Ed θ，Φ)，設(shè)振子單元長(zhǎng)度為21i，則其單元方向圖函數(shù)為
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于機(jī)電耦合模型的變形對(duì)數(shù)周期天線電性能預(yù)測(cè)方法，主要解決對(duì)數(shù)周期天線中機(jī)電分離的問題。其方法包括基于對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)建立有限元模型，加載自重及隨機(jī)風(fēng)等環(huán)境載荷，并進(jìn)行有限元分析，得到其結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)。利用該分析結(jié)果，得到對(duì)數(shù)周期天線中各振子單元的電流分布以及由于振子單元位置和偏轉(zhuǎn)引起的相位差，根據(jù)疊加定理，計(jì)算天線遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)方向圖；得到天線電性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)周期天線的機(jī)電耦合分析。本發(fā)明可使對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提高天線設(shè)計(jì)與制造質(zhì)量。
文檔編號(hào)G01R31/00GK102253290SQ201110076670
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者保宏, 呂曉方, 徐慧娟, 朱敏波, 李兆, 段寶巖, 王從思, 王偉, 王猛, 米建偉, 陳光達(dá), 黃進(jìn) 申請(qǐng)人:王從思