面向機電耦合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種面向機電耦合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方法，包括確定有源相控陣天線性能的影響因素；建立天線有限元模型；進行溫度場分析，計算熱參數(shù)的置信度；基于陣面溫度均方根誤差計算網(wǎng)格大小的置信度；計算天線結(jié)構(gòu)熱變形，提取天線單元幾何中心節(jié)點的位置偏移量；計算結(jié)構(gòu)位移提取的置信度；使用機電耦合模型計算天線的電性能；將計算結(jié)果與電磁仿真軟件計算結(jié)果進行對比，計算機電耦合模型的置信度；基于層次分析法，確定加權(quán)系數(shù)；建立置信度計算公式，計算并最終確定有源相控陣天線性能仿真的置信度。本發(fā)明建立了天線性能仿真置信度計算方法，給出了有源相控陣天線結(jié)構(gòu)熱變形對電性能影響仿真計算結(jié)果的評判標準。
【專利說明】
面向機電輔合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于天線技術領域，具體設及面向機電禪合的有源相控陣天線性能仿真置 信度的計算方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電子科學技術的飛速發(fā)展，有源相控陣天線因其具有快速改變天線波束指向 和波束形狀、可用于多部發(fā)射機在空間進行功率合成、易于形成多個發(fā)射與接收波束、可使 有源相控陣天線與雷達平臺共形等特點，在觀測高速運動目標、實現(xiàn)多種雷達功能和多目 標跟蹤等方面具有無可比擬的優(yōu)勢，其在雷達系統(tǒng)中得到廣泛的應用。目前，有源相控陣天 線已應用到預警、引導、制導、火控和超視距探測等幾乎所有雷達應用領域。可W說有源相 控陣天線已經(jīng)成為當今實用雷達天線發(fā)展的主流。
[0003] 有源相控陣天線陣面是雷達的核屯、結(jié)構(gòu)部分，天線電性能在很大程度上依賴于其 機械結(jié)構(gòu)，天線陣面作為電磁信號傳輸?shù)妮d體和邊界條件，其位移場直接影響著電磁場在 空間中的幅度和相位分布。有源相控陣天線在服役階段，受到高功率器件T/R組件發(fā)熱導致 有源相控陣天線陣面發(fā)生結(jié)構(gòu)熱變形，從而導致天線的電性能惡化。
[0004] 為了預測實際工況下有源相控陣天線結(jié)構(gòu)熱變形對電性能的影響，有必要采用仿 真計算軟件模擬結(jié)構(gòu)熱變形對電性能的影響?？墒紫炔捎糜邢拊治鲕浖嗀NSYS計算天線 的溫度場和結(jié)構(gòu)位移場的分布，得到天線結(jié)構(gòu)的熱變形，再利用有源相控陣天線機電禪合 公式計算其電性能的變化，快速預測電性能。然而，在整個仿真計算過程中，模型熱參數(shù)的 選取、有限元網(wǎng)格的尺寸、結(jié)構(gòu)位移提取、機電禪合模型計算電性能的精確度等均會直接影 響計算結(jié)果，為了準確的衡量仿真計算結(jié)果，有必要建立有源相控陣天線性能仿真置信度 的計算方法，給出有源相控陣天線性能仿真計算結(jié)果的評判標準。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述問題，本發(fā)明建立了有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方法，確定 有源相控陣天線性能仿真置信度的影響因素，給出了仿真計算結(jié)果的評判標準，從而確保 仿真結(jié)果的可靠性。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案是，面向機電禪合的有源相控陣天線性能仿真置 信度的計算方法，該方法包括下述步驟：
[0007] (1)根據(jù)有源相控陣天線的工作要求，確定有源相控陣天線性能的影響因素，W及 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性和電磁參數(shù)；
[000引（2)根據(jù)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性，建立有源相控陣天線有限元模 型；
[0009] (3)根據(jù)有源相控陣天線的工作要求和有限元模型，施加邊界條件，計算天線陣面 溫度場分布；
[0010] (4)根據(jù)有源相控陣天線的材料熱屬性，基于陣面溫度場分布，計算有源相控陣天 線熱參數(shù)的置信度Pi;
[0011] (5)根據(jù)天線陣面溫度場分布，基于陣面溫度均方根誤差RMS，計算網(wǎng)格劃分大小 的置信度P2;
[0012] (6)將陣面溫度場分布作為載荷，施加到天線有限元模型，計算有源相控陣天線陣 面的結(jié)構(gòu)熱變形；
[0013] (7)提取天線單元幾何中屯、節(jié)點的位置偏移量，確定天線單元位置偏移量的均值， 計算結(jié)構(gòu)位移提取的置信度P3;
[0014] (8)根據(jù)有源相控陣天線的電磁工作參數(shù)W及單元幾何中屯、的位置偏移量，使用 有源相控陣天線機電禪合模型，計算天線的電性能；
[0015] (9)將機電禪合模型的計算結(jié)果與電磁仿真軟件的計算結(jié)果進行對比，計算機電 禪合模型的置信度P4;
[0016] (10)基于層次分析法，確定熱參數(shù)的置信度Pi、網(wǎng)格劃分大小的置信度P2、結(jié)構(gòu)位 移提取的置信度P3和機電禪合模型的置信度P4的加權(quán)系數(shù)分別為〇1、〇2、〇3、口4;
[0017] (11)建立置信度計算公式P = Qi ? Pi+Q2 ? P2+Q3 ? P3+Q4 ? P4,計算并最終確定有源 相控陣天線性能仿真的置信度。
[0018] 所述步驟（1)中，有源相控陣天線性能影響因素包括熱參數(shù)、網(wǎng)格大小、結(jié)構(gòu)位移 提取和機電禪合模型;所述有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括天線單元的行數(shù)M、列數(shù)N及單 元間距dx和dy、印制板、侶蜂窩上面板、侶蜂窩、侶蜂窩下面板及T/R組件的幾何參數(shù);所述有 源相控陣天線的材料屬性包括彈性模量、泊松比、剪切模量、密度、導熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)； 所述有源相控陣天線的電磁參數(shù)包括天線的單元形式和中屯、工作頻率f。
[0019] 所述步驟（2)中，確定有源相控陣天線單元的幾何中屯、，并在幾何中屯、處設置硬 點;在ANSYS中建立有源相控陣天線有限元模型；
[0020] 所述步驟(4)中，根據(jù)有源相控陣天線的材料熱屬性，基于陣面溫度場分布，計算 有源相控陣天線在建模過程中熱參數(shù)的置信度，公式如下：
[0021]
[0022] 式中，Pl為熱參數(shù)的置信度，Tideal為建模初始溫度時其熱膨脹系數(shù)，Treal為最終穩(wěn) 定狀態(tài)下的熱膨脹系數(shù)。
[0023] 所述步驟(5)計算網(wǎng)格劃分的置信度，按照W下步驟進行：
[0024] (5a)選取一組網(wǎng)格大小確定邊界條件，并施加天線環(huán)境熱載荷，得 到天線陣面的溫度場分布，計算天線陣面溫度均方根誤差RMSi,當RMSw與RMSi的絕對值誤 差
巧，則將第i+1組網(wǎng)格大小Mw和均方根誤差RMSw作為標準，分別 記為r和RMS。。
[0025] (5b)當選取網(wǎng)格大小為Md時，計算天線陣面溫度均方根誤差RMSd，得到網(wǎng)格劃分大 小的置信度，公式如下：
[0026]
[0027] 所述步驟(6)中，將T/R組件熱功耗作用下的天線溫度場分布作為載荷，施加于天 線有限元模型，確定結(jié)構(gòu)約束，計算有源相控陣天線陣面的結(jié)構(gòu)熱變形。
[0028] 所述步驟(7)中，根據(jù)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)熱變形，提取第(m，n)個天線單元幾 何中屯、的位置偏移量Smn,用天線單元幾何中屯、的位移代替天線單元整體位移，計算結(jié)構(gòu)位 移提取的置信度P3，公式如下：
[0029]
[0030] 式中，易為天線單元位置偏移量的均值。
[0031] 所述步驟(8)利用機電禪合模型，計算天線電性能按照W下步驟進行：
[0032] (8a)設有源相控陣天線中共有MXN個天線單元，第(m，n)個天線單元的位置矢量 為4m.，
現(xiàn)察點P相對于坐標系0-xyz所在的方向（0，4 )上的方 位矢量為&:，
，其中：
[0033]
[0034] 式中，Xmn、ymn、Zmn分別為位置矢量苗。.在坐標軸X、y、Z方向的投影;;'、；，A分別為 坐標軸x、y、z方向的單位矢量;ax、ay、Qz分別為位置矢量F胃與坐標軸x、y、z方向的夾角；
[0035] (8b)當天線陣面產(chǎn)生變形時，第（m，n)個天線單元產(chǎn)生的位置偏移量為
，則變形后第(m，n)個天線單元的位置矢量為：
[0036]
[0037] 式中，A Xmn、A ymn、A Z皿分別為位置偏移量在坐標軸X、y、Z方向的投影；
[0038] (8c)根據(jù)有源相控陣天線電磁疊加原理，理想情況下有源相控陣天線的方向圖函 數(shù)為：
[0039]
[0040]
[0041] ;
[0042] 式中：
婦有源相控陣天線的波常數(shù)，A為有源相控陣天線工作波長，Ee為天 線單元方向圖函數(shù)，Amn是天線單元激勵電流幅度，j為虛數(shù)單位，巧是天線單元激勵電流 相位；
[0043] (8d)根據(jù)有源相控陣天線方向圖函數(shù)繪制的天線方向圖，計算得到變形后有源相 控陣天線的增益G。。
[0044] 所述步驟(9)計算機電禪合模型的置信度按照W下步驟進行：
[0045] (9a)利用電磁分析軟件HFSS計算有源相控陣天線的增益Gd;
[0046] (9b)將步驟(8d)中利用機電禪合模型計算得到的增益護和利用HFSS軟件仿真得 到的增益Gd進行對比，計算機電禪合模型的置信度P4,公式如下：
[0047]
[0048] 所述步驟（10)中，確定熱參數(shù)的置信度Pi、網(wǎng)格劃分大小的置信度P2、結(jié)構(gòu)位移提 取的置信度P3和機電禪合模型的置信度P4的加權(quán)系數(shù)，通過下述方法進行：
[0049] (IOa)建立有源相控陣天線性能仿真置信度的層次結(jié)構(gòu)模型，W有源相控陣天線 性能仿真的置信度P為標準，分別比較熱參數(shù)的置信度Pi、網(wǎng)格劃分大小的置信度P2、結(jié)構(gòu)位 移提取的置信度P3和機電禪合模型的置信度P4相對于有源相控陣天線性能仿真置信度P的 重要性，從而構(gòu)造出判斷矩陣R;
[0050] (IOb)設熱參數(shù)的置信度Pi、網(wǎng)格劃分大小的置信度P2、結(jié)構(gòu)位移提取的置信度P3 和機電禪合模型的置信度P4的加權(quán)系數(shù)分別為日1，日2，日3，日4，記為1=|>1日2日3口4];
[0051] (IOc)由判斷矩陣R計算判斷矩陣R最大的特征值A，再由公式RW = AW,求得W=[曰1 曰2曰3曰4]。
[0052] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有W下特點：
[0053] 1.本發(fā)明可同時研究多因素對有源相控陣天線性能仿真置信度的影響，克服了傳 統(tǒng)方法中只考慮單一因素下有源相控陣天線性能仿真置信度的不足。
[0054] 2.本發(fā)明綜合分析了熱參數(shù)、網(wǎng)格大小、結(jié)構(gòu)位移提取和機電禪合模型對有源相 控陣天線性能仿真置信度的影響，基于層次分析法，確定加權(quán)系數(shù)，建立有源相控陣天線性 能仿真置信度的計算公式，給出了有源相控陣天線結(jié)構(gòu)熱變形對電性能影響仿真計算結(jié)果 的評判標準，具有明顯的工程應用價值。本發(fā)明中的計算方法對結(jié)構(gòu)熱變形對電性能影響 運一類仿真置信度的分析具有普遍適用性。
【附圖說明】
[0055] 圖1是本發(fā)明面向機電禪合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方法的流程 圖；
[0056] 圖2是有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0057] 圖3是有源相控陣天線的有限元模型；
[005引圖4是有源相控陣天線溫度場分布云圖；
[0059] 圖5是有源相控陣天線的熱變形分布云圖；
[0060] 圖6是(6=0°時，有源相控陣天線變形后HFSS仿真得到的和機電禪合模型計算得 到的增益方向圖；
[0061] 圖7是(6=90°時，有源相控陣天線變形后HFSS仿真得到的和機電禪合模型計算得 到的增益方向圖。
[0062] 圖8是有源相控陣天線性能仿真置信度的層次結(jié)構(gòu)模型。
【具體實施方式】
[0063] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明
[0064] 參照圖1，本發(fā)明為面向機電禪合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方法， 具體步驟如下：
[0065] 步驟1，確定有源相控陣天線性能影響因素，W及天線結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性、電磁參 數(shù)。
[0066] 有源相控陣天線性能影響因素包括熱參數(shù)、網(wǎng)格大小、結(jié)構(gòu)位移提取、機電禪合模 型；如圖2所示，有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括天線中單元的行數(shù)M、列數(shù)N及單元間距山 和dy，印制板2、侶蜂窩上面板3、侶蜂窩4、侶蜂窩下面板5及T/R組件6的幾何參數(shù);微帶貼片 天線1在印制板2上方，T/R組件6在侶蜂窩下面板5下方;有源相控陣天線的材料屬性包括彈 性模量、泊松比、剪切模量、密度、導熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù);有源相控陣天線的電磁參數(shù)，包 括天線的單元形式和中屯、工作頻率f。
[0067] 步驟2，建立有源相控陣天線有限元模型
[0068] 確定有源相控陣天線單元的幾何中屯、，并在幾何中屯、處設置硬點；在ANSYS中建立 有源相控陣天線有限元模型。
[0069] 步驟3,計算有源相控陣天線溫度場分布
[0070] 根據(jù)有源相控陣天線的工作要求和有限元模型，施加邊界條件，計算天線陣面溫 度場分布。
[0071] 步驟4,計算有源相控陣天線熱參數(shù)的置信度
[0072] 根據(jù)有源相控陣天線的材料熱屬性，基于陣面溫度場分布，計算有源相控陣天線 在建模過程中熱參數(shù)的置信度，公式如下：
[0073]
[0074] 式中，Pl為熱參數(shù)的置信度，Tideal為建模初始溫度時其熱膨脹系數(shù)，Treal為最終穩(wěn) 定狀態(tài)下的熱膨脹系數(shù)。
[0075] 步驟5,計算網(wǎng)格大小的置信度
[0076] (5a)選取一組網(wǎng)格大小確定邊界條件，并施加天線環(huán)境熱載荷，得 至防線陣面的溫度場分布，計算天線陣面溫度均方根誤差RMSi,當RMSw與RMSi的絕對值誤 差-
時，則將第i+1組網(wǎng)格大小Mw和均方根誤差RMSw作為標準，分別 記為r和RMS。；
[0077] (5b)當選取網(wǎng)格大小為Md時，計算天線陣面溫度均方根誤差RMSd，得到網(wǎng)格劃分的 置信度，公式如下：
[007引
[0079] 步驟6,計算有源相控陣天線結(jié)構(gòu)熱變形
[0080] 將T/R組件熱功耗作用下的天線溫度場分布作為載荷，施加于天線有限元模型，確 定結(jié)構(gòu)約束，計算有源相控陣天線陣面的結(jié)構(gòu)熱變形。
[0081] 步驟7,計算結(jié)構(gòu)位移提取的置信度
[0082] 根據(jù)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)熱變形，提取第(m，n)個天線單元幾何中屯、的位置偏 移量Smn,用天線單元幾何中屯、的位移代替天線單元整體位移，計算結(jié)構(gòu)位移提取的置信度 ?3,公式如下：
[0083]
[0084] 式中，易為天線單元位置偏移量的均值。
[0085] 步驟8,使用機電禪合模型，計算天線的電性能
[0086] (8a)設有源相控陣天線中共有MXN個天線單元，第(m，n)個天線單元的位置矢量 為^胃.，
，觀察點P相對于坐標系0-xyz所在的方向（0，4 )上的方 位矢量為聲。，
，其中：
[0087] 、
[008引式中，Xmn、ymn、Zmn分別為位置矢量氣。,在坐標軸X、y、Z方向的投影;;'、y\ 分別為 坐標軸x、y、z方向的單位矢量;ax、ay、Qz分別為位置矢量?胃與坐標軸x、y、z方向的夾角；
[0089] (8b)當天線陣面產(chǎn)生變形時，第（m，n)個天線單元產(chǎn)生的位置偏移量為 拉附，，
，則變形后第(m，n)個天線單元的位置矢量為：
[0090]
[00川式中，A Xmn、A ymn、A Z皿分別為位置偏移量AF胃在坐標軸X、y、Z方向的投影；
[0092] (8c)根據(jù)有源相控陣天線電磁疊加原理，理想情況下有源相控陣天線的方向圖函 數(shù)為：
[0093；
[0094；
[0095：
[0096] 式中：
為有源相控陣天線的波常數(shù)，A為有源相控陣天線工作波長，Ee為天 線單元方向圖函數(shù)，Amn是天線單元激勵電流幅度，j為虛數(shù)單位，錢是天線單元激勵電流 相位；
[0097] (8d)根據(jù)有源相控陣天線方向圖函數(shù)繪制的天線方向圖，計算得到變形后有源相 控陣天線的增益G。。
[0098] 步驟9,計算機電禪合模型的置信度
[0099] (9a)利用電磁分析軟件HFSS計算有源相控陣天線的增益Gd;
[0100] (9b)將步驟(8d)中利用機電禪合模型計算得到的增益護和利用HFSS軟件仿真得 到的增益Gd進行對比，計算機電禪合模型的置信度P4,公式如下：
[0101]
[0102] 步驟10,基于層次分析法，確定加權(quán)系數(shù)
[0103] 基于層次分析法，確定熱參數(shù)的置信度Pi、網(wǎng)格劃分大小的置信度P2、結(jié)構(gòu)位移提 取的置信度P3和機電禪合模型的置信度P4的加權(quán)系數(shù)分別為〇1、〇2、〇3、口4。
[0104] (IOa)建立有源相控陣天線性能仿真置信度的層次結(jié)構(gòu)模型，W有源相控陣天線 性能仿真的置信度P為標準，分別比較熱參數(shù)的置信度Pi、網(wǎng)格劃分大小的置信度P2、結(jié)構(gòu)位 移提取的置信度P3和機電禪合模型的置信度P4相對于有源相控陣天線性能仿真置信度P的 重要性，從而構(gòu)造出判斷矩陣R;
[0105] (IOb)設熱參數(shù)的置信度Pi、網(wǎng)格劃分大小的置信度P2、結(jié)構(gòu)位移提取的置信度P3 和機電禪合模型的置信度P4的加權(quán)系數(shù)分別為日1，日2，日3，日4，記為1=|>1日2日3口4];
[0106] (IOc)由判斷矩陣R計算判斷矩陣R最大的特征值A，再由公式RW = AW,求得W=[曰1 曰2曰3曰4]。
[0107] 步驟11，確定有源相控陣天線性能仿真置信度
[010引建立置信度計算公式P = Qi . Pi+Q2 ? P2+Q3 ? P3+Q4 ? P4,計算并最終確定有源相控 陣天線性能仿真的置信度。
[0109] 本發(fā)明的優(yōu)點可通過W下仿真實驗進一步說明：
[0110] -、確定有源相控陣天線結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱參數(shù)和電磁參數(shù)
[0111] 本實例W工作頻率為2.25GHZ的微帶貼片天線，X方向陣元數(shù)M = 5，y方向陣元數(shù)N =5,排列間距為dxXdy = 60mmX60mm組成的有源相控陣天線為對象。其結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性 如表1和表2所示，T/R組件的熱功耗Q =抓。
[0112] 表1有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0113]
[0114]
[0115]
[0116]
[0117] 二、計算有源相控陣天線性能仿真的置信度
[0118] 1.計算天線溫度場分布
[0119] 研究對象為微帶貼片天線，在天線單元的幾何中屯、處建立硬點，根據(jù)有源相控陣 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性，在ANSYS中采用S0LID278和甜化L131建立有源相控陣天線的有 限元模型，如圖3所示，施加邊界條件，計算天線溫度場分布，如圖4所示。
[0120] 2.計算有源相控陣天線熱參數(shù)的置信度
[0121] 根據(jù)材料熱屬性，基于陣面溫度場分布，計算有源相控陣天線在建模過程中熱參 數(shù)的置信度，公式如下：
[0122]
[0123] 式中，Pl為熱參數(shù)的置信度，Tideal為建模初始溫度時其熱膨脹系數(shù)，Treal為最終穩(wěn) 定狀態(tài)下的熱膨脹系數(shù)，則Tideai = 2.3e-5m/K，Tideai = 2.41e-5m/K，由
， 得出 Pi = O.954。
[0124] 3.計算網(wǎng)格大小的置信度
[0125] 3.1選取一組網(wǎng)格大小確定邊界條件，并施加天線環(huán)境熱載荷，得到 天線陣面的溫度分布，計算天線陣面溫度均方根誤差RMSi,當RMSw與RMSi的絕對值誤差
舊寸，則將第i+1組網(wǎng)格大小Mi+1和均方根誤差RMSi+1作為標準，記為r 和RMSS計算結(jié)果如表3。[01%]表3網(wǎng)格大小及對應的均方根誤差
[0129] 3.2當選取網(wǎng)格大小為Md時，計算天線陣面溫度均方根誤差RMSd,得到網(wǎng)格劃分的 置信度，公式如下：
[0127]
[012 引
[0130]
[01；31 ] 劃分網(wǎng)格時，當選取網(wǎng)格大小M d = 4，則R M S d = 5 . 3 2，由公式
，:計算得 P2 = 0.944。
[0132] 4.計算天線結(jié)構(gòu)熱變形
[0133] 將T/R組件熱功耗作用下的天線溫度場分布作為載荷，施加于天線有限元模型，確 定結(jié)構(gòu)約束，計算有源相控陣天線陣面的結(jié)構(gòu)熱變形，位移云圖如圖5所示。
[0134] 5.計算結(jié)構(gòu)位移提取的置信度
[0135] 根據(jù)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)熱變形，提取第(111，11)(1《111《5，1《11《5)個天線單元 幾何中屯、的位置偏移量Smn,用天線單元幾何中屯、的位移代替天線單元整體位移，計算結(jié)構(gòu) 位移提取的置信度P3，公式如下：
[0136]
[0137] 式中，亥為天線單元位置偏移量的均值，計算得到結(jié)構(gòu)位移提取的置信度P3 = 0.948。
[0138] 6.使用機電禪合模型，計算天線的電性能
[0139] 6.1設有源相控陣天線中共有MXN個天線單元，第(m，n)個天線單元的位置矢量為 乎。m，
，觀察點P相對于坐標系0-xyz所在的方向（0，4 )上的方位 矢量為&，
，其中：
[0140]
[0141] 式中，Xmn、ymn、Zmn分別為位置矢量?胃在坐標軸X、y、Z方向的投影;f、/'、《々別為 坐標軸x、y、z方向的單位矢量;ax、ay、Qz分別為位置矢量與坐標軸x、y、z方向的夾角；
[0142] 6.2當天線陣面產(chǎn)生變形時，第（m，n)個天線單元產(chǎn)生的位置偏移量為A巧,,,,，
，則變形后第(m，n)個天線單元的位置矢量為：
[0143]
[0144] 式中，A Xmn、A ymn、A Zmn分別為位置偏移量A巧在坐標軸X、y、Z方向的投影；
[0145] 6.3根據(jù)有源相控陣天線電磁疊加原理，理想情況下有源相控陣天線的方向圖函 數(shù)為：
[0146]
[0147]
[014 引
[0149] 式中，
％有源相控陣天線的波常數(shù)，A為有源相控陣天線工作波長，Ee為天 線單元方向圖函數(shù)，Am:是天線單元激勵電流幅度，巧《。是天線單元激勵電流相位；
[0150] 6.4根據(jù)有源相控陣天線方向圖函數(shù)繪制的天線方向圖，如圖6和圖7所示，計算得 到變形后有源相控陣天線的增益護，增益護=14.087地。
[0151] 7.計算機電禪合模型的置信度
[0152] 7.1利用電磁分析軟件HFSS計算變形后有源相控陣天線的增益Gd,得Gd = 14.168地；
[0153] 7.2將步驟6.4中利用機電禪合模型計算得到的增益護和利用HFSS軟件仿真得到 的增益Gd進行對比，計算機電禪合模型的置信度P4,公式如下：
[0154]
[01W]代入數(shù)值計算得到機電禪合模型的置信度P4=0.992。
[0156] 8.基于層次分析法，確定加權(quán)系數(shù)
[0157] 8.1建立有源相控陣天線性能仿真置信度的層次結(jié)構(gòu)模型，如圖8所示，其中P代表 有源相控陣天線性能仿真的置信度，Pi表示熱參數(shù)的置信度，P2表示網(wǎng)格劃分大小的置信 度，P3表示結(jié)構(gòu)位移提取的置信度，P4表示機電禪合模型的置信度；
[0158] 8.2根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型兩兩比較Pi~P4相對于P的重要性，從而構(gòu)造出判斷矩陣
[0159]
[0160] 8.3設熱參數(shù)的置信度Pi、網(wǎng)格劃分大小的置信度P2、結(jié)構(gòu)位移提取的置信度P3和 機電禪合模型的置信度P4的加權(quán)系數(shù)分別為日1，日2，日3，日4，記為胖=[日1日2日3日4]，由8.2中判 斷矩陣R計算判斷矩陣R最大的特征值^，再由公式RW = AW，求得
則
[0161 ] 9.確定有源相控陣天線性能仿真置信度
[0162] 建立置信度計算公式P = Qi ? ?1+日2 ? ?2 +日3 ? ?3+日4 ? ?4,由W上步驟可知，Pl = 0.954, P2 = 0.944, Ps = O. 948, P4 = 〇. 992
最終計算 得到有源相控陣天線性能仿真的置信度P = O.967 = 96.7%。
【主權(quán)項】
1. 面向機電耦合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方法，其特征在于，包括下 述步驟： (1) 根據(jù)有源相控陣天線的工作要求，確定有源相控陣天線性能的影響因素，以及天線 結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性和電磁參數(shù)； (2) 根據(jù)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性，建立有源相控陣天線有限元模型； (3) 根據(jù)有源相控陣天線的工作要求和有限元模型，施加邊界條件，計算天線陣面溫度 場分布； (4) 根據(jù)有源相控陣天線的材料熱屬性，基于陣面溫度場分布，計算有源相控陣天線熱 參數(shù)的置信度Pi; (5) 根據(jù)天線陣面溫度場分布，基于陣面溫度均方根誤差RMS，計算網(wǎng)格劃分大小的置 信度P2; (6) 將陣面溫度場分布作為載荷，施加到天線有限元模型，計算有源相控陣天線陣面的 結(jié)構(gòu)熱變形； (7) 提取天線單元幾何中心節(jié)點的位置偏移量，確定天線單元位置偏移量的均值，計算 結(jié)構(gòu)位移提取的置信度P3; (8) 根據(jù)有源相控陣天線的電磁工作參數(shù)以及單元幾何中心的位置偏移量，使用有源 相控陣天線機電耦合模型，計算天線的電性能； (9) 將機電耦合模型的計算結(jié)果與電磁仿真軟件的計算結(jié)果進行對比，計算機電耦合 模型的置信度P4; (10) 基于層次分析法，確定熱參數(shù)的置信度?:、網(wǎng)格劃分大小的置信度P2、結(jié)構(gòu)位移提 取的置信度P3和機電親合模型的置信度P4的加權(quán)系數(shù)分別為αι、α2、α 3、α4; (11) 建立置信度計算公式P = Ci1 · Pda2 · Ρ2+α3 · Ρ3+α4 · Ρ4,計算并最終確定有源相控 陣天線性能仿真的置信度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的面向機電耦合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方 法，其特征在于，所述步驟（1)中，有源相控陣天線性能影響因素包括熱參數(shù)、網(wǎng)格大小、結(jié) 構(gòu)位移提取和機電耦合模型;所述有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括天線單元的行數(shù)Μ、列 數(shù)N及單元間距d x和dy、印制板、鋁蜂窩上面板、鋁蜂窩、鋁蜂窩下面板及T/R組件的幾何參 數(shù);所述有源相控陣天線的材料屬性包括彈性模量、泊松比、剪切模量、密度、導熱系數(shù)和熱 膨脹系數(shù);所述有源相控陣天線的電磁參數(shù)包括天線的單元形式和中心工作頻率f。3. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的面向機電耦合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方 法，其特征在于，所述步驟(2)中，確定有源相控陣天線單元的幾何中心，并在幾何中心處設 置硬點;在ANSYS中建立有源相控陣天線有限元模型。4. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的面向機電耦合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方 法，其特征在于，所述步驟(4)中，根據(jù)有源相控陣天線的材料熱屬性，基于陣面溫度場分 布，計算有源相控陣天線在建模過程中熱參數(shù)的置信度，公式如下：式中，Pi為熱參數(shù)的置信度，TidW為建模初始溫度時其熱膨脹系數(shù)，Τ_ι為最終穩(wěn)定狀 態(tài)下的熱膨脹系數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的面向機電耦合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方 法，其特征在于，所述步驟(5)按如下過程進行： (5a)選取一組網(wǎng)格大小M1(KiSn),確定邊界條件，并施加天線環(huán)境熱載荷，得到天線 陣面的溫度場分布，計算天線陣面溫度均方根誤差RMS1，當RMS1+1與RMS1的絕對值誤差吋，則將第i+Ι組網(wǎng)格大小M1+1和均方根誤差RMS 1+1作為標準，分別記 為 Mc^PRMSc; (5b)當選取網(wǎng)格大小為一時，計算天線陣面溫度均方根誤差RMSd，得到網(wǎng)格劃分大小的 置信度，公式如下：6. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的面向機電耦合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方 法，其特征在于，所述步驟(6)中，將T/R組件熱功耗作用下的天線溫度場分布作為載荷，施 加于天線有限元模型，確定結(jié)構(gòu)約束，計算有源相控陣天線陣面的結(jié)構(gòu)熱變形。7. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的面向機電耦合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方 法，其特征在于，所述步驟(7)中，根據(jù)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)熱變形，提取第(m，n)個天線 單元幾何中心的位置偏移量S mn，用天線單元幾何中心的位移代替天線單元整體位移，計算 結(jié)構(gòu)位移提取的置信度P3，公式如下：式中，冢為天線單元位置偏移量的均值。8. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的面向機電耦合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方 法，其特征在于，所述步驟(8)按如下過程進行： (8a)設有源相控陣天線中共有MXN個天線單元，第(m，n)個天線單元的位置矢量為亍在的方向（θ，Φ )上的方位矢 式中，X隨、ymn、zmn分別為位置矢量?_在坐標軸x、y、z方向的投影;f .、j、《分別為坐標 軸x、y、z方向的單位矢量;ax、ay、az分別為位置矢量?_與坐標軸 x、y、z方向的夾角； (8b)當天線陣面產(chǎn)生變形時，第（m，n)個天線單元產(chǎn)生的位置偏移量為JJ變形后第(m，n)個天線單元的位置矢量為：式中，Δ Xmn、Δ ymn、Δ Zmn分別為位置偏移量AFmjl在坐標軸X、y、z方向的投影； (Sc)根據(jù)有源相控陣天線電磁疊加原理，理想情況下有源相控陣天線的方向圖函數(shù) 為：結(jié)合(8b)得到變形有源相控陣天線方向圖函數(shù)為：式中&有源相控陣天線的波常數(shù)，λ為有源相控陣天線工作波長，E e3為天線單 元方向圖函數(shù)，Amn是天線單元激勵電流幅度，j為虛數(shù)單位，是天線單元激勵電流相位； (8d)根據(jù)有源相控陣天線方向圖函數(shù)繪制的天線方向圖，計算得到變形后有源相控陣 天線的增益Gc^9. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的面向機電耦合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算方 法，其特征在于，所述步驟(9)按如下過程進行： (9a)利用電磁分析軟件HFSS計算有源相控陣天線的增益Gd; (9b)將步驟(8d)中利用機電耦合模型計算得到的增益和利用HFSS軟件仿真得到的增 益#進行對比，計算機電耦合模型的置信度P4,公式如下：10. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的面向機電耦合的有源相控陣天線性能仿真置信度的計算 方法，其特征在于，所述步驟(10)中，確定熱參數(shù)的置信度?:、網(wǎng)格劃分大小的置信度P 2、結(jié) 構(gòu)位移提取的置信度P3和機電耦合模型的置信度P4的加權(quán)系數(shù)，通過下述方法進行： (IOa)建立有源相控陣天線性能仿真置信度的層次結(jié)構(gòu)模型，以有源相控陣天線性能 仿真的置信度P為標準，分別比較熱參數(shù)的置信度P1、網(wǎng)格劃分大小的置信度P2、結(jié)構(gòu)位移提 取的置信度P 3和機電耦合模型的置信度P4相對于有源相控陣天線性能仿真置信度P的重要 性，從而構(gòu)造出判斷矩陣(IOb)設熱參數(shù)的置信度P1、網(wǎng)格劃分大小的置信度P2、結(jié)構(gòu)位移提取的置信度P3和機 電耦合模型的置信度?4的加權(quán)系數(shù)分別為<11，€12，€13，(1 4，記為1=|>1€12€13€14] ; C14] 〇 (IOc)由判斷矩陣R計算判斷矩陣R最大的特征值λ，再由公式RW=AW，求得W=[ai ci2 α3
【文檔編號】G06F17/50GK106021764SQ201610369219
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】王從思, 程景勝, 毛靜, 王艷, 唐寶富, 周志鵬, 鐘劍鋒, 李斌, 王志海, 王璐, 平麗浩, 姜潮, 劉振宇
【申請人】西安電子科技大學