[发明专利]面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法。

背景技术

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。由于对卫星通信数据传输容量的要求越来越大，原来采用的小口径低增益天线已无法满足应用的要求。而采用星载有源相控阵天线是解决上述难题的途径之一，它作为空间通信、电子侦察、导航、环境监测等卫星系统的“眼睛”和“耳朵”，利用有源相控阵体制实现独立控制多个点波束，不仅克服了星载反射面天线机械扫描时惯性大、速度慢、可靠性相对较低等问题，同时具有更多的设计自由度，如线阵、平面阵、共形阵等，能很好地实现高增益、窄波瓣、空间扫描、空间多目标跟踪、空分多址和自主控制等功能，广泛用于通信、空中交通管制、医疗、矿产资源探测、反恐缉毒等许多方面，被广泛用于星载有源相控阵天线中。

星载有源相控阵天线系统在轨服役阶段，温度环境极其恶劣，一方面，在太阳照射下温度可以达到160℃；另一方面，在T/R组件热功耗作用下产生的热量无法散出来，导致星载有源相控阵天线易发生结构热变形。结构热变形引起有源相控阵天线单元形状改变、位置偏移和指向发生偏转，严重影响天线的电性能。卫星一旦发射上天很难再进行修补，为此，根据星载有源相控阵天线热变形情况快速预测电性能的变化，从而指导星载有源相控阵天线的热设计、结构设计，减少研制成本，缩短研制周期。

为降低结构热变形对星载有源相控阵天线电性能的影响，确保雷达系统能够正常工作，需对天线电性能进行补偿。常用的补偿方法有两种：一种是机械补偿方法，通过提高天线结构的刚强度或增加主动调节装置，降低由外部载荷引起的结构变形，但这会使得天线系统的重量增加、结构复杂度提高；如在Morris D,Bremer M,Butin G,et al.Surface adjustment of the IRAM 30m radio telescope[J].IET Microwave,Antennas and Propagation,2009,3(1):99-108中即通过反复调整天线的面板结构，来降低环境载荷造成的天线结构误差从而保证天线电性能，然而调整过程耗时且调整效率低。

另一种是电子补偿方法，又称有源补偿，通过调整辐射单元上的激励电流实现对天线电性能的补偿，有源补偿方法可在不增加结构重量及复杂度的情况下，有效降低结构变形对天线电性能的影响。然而，在有源补偿方法中，国内外很多工作仅从单一电性能方面来考虑实施补偿作用，如在Son S H,Eom S Y,Jeon S I,et al.Automatic phased correction of phased array antennas by a genetic algorithm[J].Antennas and Propagation,2008,56(8):2751-2754中仅考虑对包含相位误差的天线电性能，如何通过遗传算法来补偿该误差相位，并没有将误差的来源如结构变形直接引入到补偿分析过程中；此外，也有研究工作采用有源补偿方法来补偿结构误差导致的天线电性能变化，如在Svensson B,Lanne M,Wingard J,et al.Element position error compensation in active phased array antennas[C]//2010Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation.2010中即对天线的单元位置误差进行了补偿，然而，该天线单元的位置误差仅是假设其服从高斯分布，而并没有根据结构有限元分析来研究实际工况下天线的结构误差对其电性能的影响。

因此，在天线的实际工作环境下，建立结构热变形与天线电性能之间的联系，结合相位调整法，提供一种有效解决实际工况下天线结构热变形对其电性能的影响，实现对变形星载有源相控阵天线电性能的有源补偿，确保在服役环境下星载有源相控阵天线能正常工作。

发明内容

针对上述问题，本发明基于星载有源相控阵天线机电耦合模型，结合相位调整法，实现了对变形星载有源相控阵天线的电性能补偿，可用于解决由环境热载荷和器件热功耗引起的结构热变形导致的天线电性能恶化问题，从而确保服役环境下天线能够正常工作。

实现本发明目的的技术解决方案是，面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，该方法包括下述步骤：

(1)根据星载有源相控阵天线的基本结构，确定天线的结构参数、材料属性和电磁工作参数；