[发明专利]基于机电耦合的星载有源相控阵天线组件热功耗确定方法

说明书

本发明公开了基于机电耦合的星载有源相控阵天线组件热功耗确定方法，包括：确定天线结构参数、材料属性及电磁参数；确定T/R组件热参数；确定天线阵元相位中心；建立天线热模型，施加热载荷及边界条件，计算太空环境下的天线温度场分布；转换热单元类型，建立天线结构有限元模型，施加温度载荷及结构约束，计算天线阵面热变形；确定天线相位参考点，提取阵元相位中心节点位移，基于机电耦合模型计算变形天线的增益损失；判断是否超出允许范围，修改T/R组件的热参数；确定T/R组件热功耗最大值。本发明能有效确定星载有源相控阵天线组件的热功耗，不仅对星载有源相控阵天线的组件设计提供指导，还可根据天线结构温度场分布，对组件位置布局提供指导。

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体是基于机电耦合的星载有源相控阵天线组件热功耗确定方法。可用于确定星载有源相控阵天线组件热功耗的最大值，还可以根据组件热功耗预测天线电性能，对天线组件设计及布局有指导意义。

背景技术

自20世纪50年代以来，随着星载天线的飞跃式发展，对天线多功能、多波段、远距离、高功率等性能要求越来越高。而小口径、低增益天线已无法实现大数据传输容量的需求，星载有源相控相控阵自此得到了广泛的研究与应用。

有源相控阵天线每个辐射器都配有发射/接收组件(即T/R组件)，每个天线都可以产生、接收电磁波，所以阵列天线结构会包含有成千上万的发热器件，其工作所产生的热量作用于天线结构会使阵面发生变形。此外，T/R组件的性能会受温度变化而变化。而在星载环境中，无法对天线结构进行散热及温度一致性设计，故天线自身产热以及环境极端温度、热梯度的影响，会严重影响天线的阵面的平面度及电性能。关于星载有源相控阵天线热变形对电性能影响的研究主要包括两大类：①热变形的计算。如在文献韦娟芳,关富玲,赵人杰等.星载微带阵天线的热变形分析及实验验证[J].中国空间科学技术,2002,6:63-68中，作者通过建立拉-弯耦合效应力学方程研究了星载阵列天线的热变形分析，这是我国首次对星载微带天线阵天线进行热变形实验。②电性能计算。此方面研究多采用数值方法进行求解，如文献Verpoorte J,Schippers H,Vos G.Technology for conformal load-bearing antennas on aircraft structures[J].2000.采用数值方法计算了星载微带阵列天线变形后的方向图，过程繁琐、耗时。总之，上述方法都不能直接预估组件热功耗大小对电性能的影响程度。每有一个热功耗，便需进行大量计算才可以得到天线的电性能。

因此，有必要基于机电耦合模型确定星载有源相控阵天线的组件热功耗的最大值，不仅可以预测其对电性能的影响，也对天线组件布局有指导意义。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了基于机电耦合的星载有源相控阵天线组件热功耗确定方法，该方法基于机电耦合模型，将T/R组件发热引起的星载有源相控阵天线阵面热变形与天线电性能直接联系起来，通过分析可以明确T/R组件热功耗对天线电性能的影响规律，进而可以得到T/R组件热功耗的最大值，对组件设计及结构设计都具有指导意义。

实现本发明的技术解决方案是，基于机电耦合的星载有源相控阵天线组件热功耗确定方法，该方法包括下述步骤：

(1)根据星载有源相控阵天线的服役环境和工作要求，确定星载有源相控阵天线的结构参数、材料属性及电磁参数；

(2)根据星载有源相控阵天线的工作要求，确定有源安装板底部T/R组件的热参数；

(3)根据星载有源相控阵天线的电磁参数，确定阵元相位中心；

(4)根据星载有源相控阵天线的结构参数、材料属性建立星载有源相控阵天线热模型；

(5)根据星载有源相控阵天线的热参数，在有限元模型上施加热载荷，计算太空环境下的天线温度场分布；