[发明专利]一种基于机电耦合的六边形有源相控阵天线结构公差的快速确定方法

说明书

技术领域

本发明属于雷达天线技术领域，具体涉及一种基于机电耦合的六边形有源相控阵天线结构公差的快速确定方法，可用于指导六边形有源相控阵天线结构公差的快速确定及结构方案的评价。

背景技术

有源相控阵天线因其可靠性高、功能多、隐身性能好等无可比拟的优势，已经广泛应用于各雷达系统中，而各雷达系统因载体、工作条件等的不同，采取的有源相控阵天线阵面形状也不相同，如舰载雷达系统普遍采用六边形有源相控阵天线。随着世界军事技术的发展，对相控阵雷达系统的战术、技术指标的要求越来越高，其中有源相控阵天线的电性能与其有着密切联系，而有源相控阵天线的电性能不仅取决于馈电系统的幅度相位误差，更易受到阵元位置误差的影响，而这又受制于天线的结构设计。

有源相控阵天线阵面的安装会导致阵面产生随机误差，使阵元位置产生误差；另外，由于天线复杂的工作环境会造成有源相控阵天线在工作状态下发生结构变形，也会引起阵面阵元位置误差，例如舰载雷达在航行时会带来振动激励。可见，有源相控阵天线的安装以及环境载荷导致的阵面结构误差，都将会导致天线阵面阵元之间的相对位置发生变化，引起阵元间互耦的变化，互耦又会影响天线激励电流的幅度和相位，最终使得天线口径场相位分布发生变化，以致引起天线副瓣电平抬升、增益下降、波束指向偏差等问题，严重影响天线电性能。为此，如何根据天线电性能指标要求，快速确定天线结构公差，进行结构设计，并评估结构方案，是研制高性能有源相控阵天线过程中必然会遇到的一个难题。

目前，解决该难题通常有以下几种做法：(1)推导阵元位置误差与天线电性能参数之间的近似关系式，由近似公式可根据天线电性能参数指标估算天线的位置安装精度。如在Wang H S C.Performance of phased-array antennas with mechanical errors[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1992,28(2):535-545.中就是推导了阵元位置随机误差与天线平均副瓣电平的近似关系式。这种方法存在的主要问题是不能确定每个阵元的位置误差，仅从误差的概率统计特征去估算天线的结构公差，结果存在不确定性，难以满足高性能有源相控阵天线的结构设计。(2)根据天线阵面的安装约束方式，假设天线阵面结构变形规律已知，进而根据天线电性能的变化情况给出阵元的最大变形量，确定阵面平面度。如在Congsi W.,Baoyan D.,Fushun Z.,et al,Analysis of performance of active phased array antennas with distorted plane error[J].International Journal of Electronics,2009,96(5):549-559.中分析了阵面弯曲和碗状两种特定变形对天线电性能的影响。这种方法对安装阵面时的约束位置有着特定要求，否则阵面变形规律难以用明确的数学公式描述，这导致其在工程中的应用范围受到限制，难以进行推广。(3)加工有源相控阵天线样件，根据实测电性能结果，多次修改方案以确定结构公差。这种方法导致天线的设计周期严重延长，成本大大增加，不能满足目前我国雷达快速研制的需求。

因此，有必要深入研究有源相控阵天线结构与电磁之间的耦合关系以准确确定满足天线电性能指标的结构公差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于机电耦合的六边形有源相控阵天线结构公差的快速确定方法，以便有效解决在六边形有源相控阵天线结构方案设计时难以快速确定与分配天线结构公差的问题，可指导六边形有源相控阵天线阵元位置安装精度与阵面平面度的制定与分配，以及天线结构方案的评价。

实现本发明目的的技术解决方案是，一种基于机电耦合的六边形有源相控阵天线结构公差的快速确定方法，该方法包括下述步骤：

(1)确定六边形有源相控阵天线的结构参数和电磁工作参数；

(2)给出初步的阵元位置安装精度，获取阵面内所有阵元位置安装误差的随机量；

(3)给出初步的阵面平面度，获取阵面内所有阵元高度误差的随机量；

(4)结合阵元位置安装误差和阵元高度误差，计算阵元在目标处的空间相位差，进而得到天线口面的相位差；

(5)结合阵元的激励电流幅度相位、阵元在阵列中的方向图，利用六边形有源相控阵天线的机电耦合模型，计算天线远区电场分布，并绘制天线远区电场方向图；