一種面向輻射和散射的有源相控陣天線結(jié)構(gòu)公差的快速確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種面向輻射和散射的有源相控陣天線結(jié)構(gòu)公差的快速確定方法，包括：1)確定天線結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作參數(shù)，給出初始結(jié)構(gòu)公差；2)計(jì)算天線輻射因子和散射因子；3)將結(jié)構(gòu)公差分配為天線單元在陣面內(nèi)的安裝位置誤差和安裝高度誤差；4)計(jì)算陣面內(nèi)相鄰兩天線單元在觀察點(diǎn)處的輻射場空間相位差和散射場空間相位差，得到輻射場和散射場口面相位誤差；5)計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)輻射場和散射場方向圖函數(shù)繪制輻射場和散射場方向圖；6)計(jì)算相對于指標(biāo)輻射場性能和散射場性能的變化量；7)判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求。本發(fā)明能夠快速給出合理的結(jié)構(gòu)公差精度，降低加工和安裝難度，減少研制成本，縮短研制周期。
【專利說明】一種面向輻射和散射的有源相控陣天線結(jié)構(gòu)公差的快速確 定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)天線【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及有源相控陣天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造公差的 確定和分配方法，可從綜合考慮輻射場和散射場性能的角度指導(dǎo)有源相控陣天線結(jié)構(gòu)公差 的快速確定及結(jié)構(gòu)方案的評價(jià)。

【背景技術(shù)】
[0002] 軍事斗爭的迫切需要產(chǎn)生了雷達(dá)，并強(qiáng)有力的牽引雷達(dá)理論和技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代 戰(zhàn)爭，尤其是當(dāng)前的電子戰(zhàn)和信息戰(zhàn)的需求，有源相控陣天線因具有快速改變天線波束指 向和波束形狀、功能多，機(jī)動性強(qiáng)、可靠性高、探測和跟蹤能力高等優(yōu)勢廣泛的應(yīng)用于各種 雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)航、電子對抗等領(lǐng)域，因此成為當(dāng)今雷達(dá)發(fā)展的主流。特別是在先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī) 綜合電子信息系統(tǒng)中得到了很好地應(yīng)用。如美國的F22和我國自主研制的殲20、殲31等最 先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)都裝備高性能的有源相控陣?yán)走_(dá)。因此，作為有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的最重要 部分，有源相控陣天線的電性能就被提出更高的要求。同時(shí)，在以現(xiàn)代高新技術(shù)為背景的電 子戰(zhàn)中，為了迫使敵方電子探測系統(tǒng)和武器平臺降低其戰(zhàn)斗效力，從而提高我方軍事力量 的突防能力和生存能力，就必須提高我方戰(zhàn)斗平臺的隱身能力，即控制和降低軍用系統(tǒng)的 雷達(dá)散射面積（Radar Cross Section, RCS)。因此，在日益嚴(yán)峻的軍事需求下，發(fā)展具有高 增益、高隱身性能的有源相控陣天線就凸顯的尤為重要。
[0003] 有源相控陣天線作為復(fù)雜電子裝備，是電磁、精密機(jī)械結(jié)構(gòu)等多學(xué)科相結(jié)合的系 統(tǒng)，其電性能不僅取決于電磁學(xué)科的設(shè)計(jì)水平，同時(shí)也取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平。機(jī)械結(jié) 構(gòu)不僅是電性能的載體和保障，并且往往制約著電性能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，電性能的實(shí)現(xiàn)對機(jī)械 結(jié)構(gòu)也提出了更高的要求。有源相控陣天線的電性能是陣中每個(gè)天線單元在遠(yuǎn)場疊加的結(jié) 果，由于機(jī)械加工精度、安裝精度的限制，以及受到振動、熱功耗等環(huán)境外載荷的影響，有源 相控陣天線單元位置發(fā)生偏移，從而使得天線單元在觀察點(diǎn)處的相位差發(fā)生變化，因此導(dǎo) 致整個(gè)有源相控陣天線增益下降、副瓣電平升高和波束指向不準(zhǔn)確等，即最終會惡化有源 相控陣天線的電性能。
[0004] 為了減小輻射場電性能損失，必須使得有源相控陣天線的天線單元位置的偏移量 盡可能的小。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，工程人員為滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，一味的提高加工精度和安 裝精度，而這極大地加重了加工和安裝的難度和研制的成本，延長了研制的周期。然而，有 源相控陣天線陣元位置發(fā)生改變卻會使得其散射場散射性能下降，即陣元位置雖然導(dǎo)致有 源相控陣天線輻射場性能有所下降，但卻令其散射場性能有所提高。因此，鑒于輻射性能和 隱身性能的重要性，有必要在已有的有源相控陣天線輻射場機(jī)電耦合理論的基礎(chǔ)上，建立 其散射場結(jié)構(gòu)與電磁耦合模型，進(jìn)行有源相控陣天線輻射場和散射場的結(jié)構(gòu)與電磁耦合分 析，進(jìn)而在制定與分配有源相控陣天線結(jié)構(gòu)加工與安裝精度，以及評價(jià)天線結(jié)構(gòu)方案時(shí)，同 時(shí)滿足有源相控陣天線的輻射性能和散射性能的指標(biāo)要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出了一種面向輻射和散射的有源相控陣天線結(jié)構(gòu)公差的快 速確定方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)有源相控陣天線輻射場和散射場的結(jié)構(gòu)與電磁耦合分析，快 速確定合理的結(jié)構(gòu)公差精度，降低加工和安裝難度，減少研制成本，縮短研制周期。因此， 本方法可指導(dǎo)有源相控陣天線結(jié)構(gòu)加工與安裝精度的制定與分配，以及天線結(jié)構(gòu)方案的評 價(jià)。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是，確定有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作 參數(shù)，給出初始結(jié)構(gòu)公差；計(jì)算有源相控陣天線輻射場單元輻射因子和散射場單元散射因 子；將結(jié)構(gòu)公差分配為天線單元在陣面內(nèi)的安裝位置誤差和在陣面法向的安裝高度誤差； 計(jì)算陣面內(nèi)相鄰兩天線單元在觀察點(diǎn)處的輻射場空間相位差和散射場空間相位差，得到有 源相控陣天線輻射場和散射場的口面相位誤差；計(jì)算有源相控陣天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場和散射場 方向圖函數(shù)，分別繪制天線輻射場和散射場方向圖；計(jì)算相對于設(shè)計(jì)指標(biāo)輻射場性能的惡 化程度和散射場性能的改善程度；判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求，如滿足要求，則當(dāng)前的天線單元 的安裝位置誤差和安裝高度誤差就是最終結(jié)構(gòu)公差；否則改變結(jié)構(gòu)公差的取值，并重復(fù)上 述分析過程，直到輻射場和散射場電性能指標(biāo)同時(shí)滿足要求，以此確定合適的結(jié)構(gòu)公差。
[0007] 本發(fā)明是通過以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] -種面向輻射和散射的有源相控陣天線結(jié)構(gòu)公差的快速確定方法，該方法包括如 下步驟：
[0009] (1)根據(jù)平面等間距矩形柵格排列的有源相控陣天線的基本結(jié)構(gòu)，確定有源相控 陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作參數(shù)，給出初始的結(jié)構(gòu)公差；
[0010] (2)根據(jù)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作參數(shù)，計(jì)算其輻射場單元輻射因 子（圖改）和散射場單兀散射因子；
[0011] (3)根據(jù)初始的結(jié)構(gòu)公差，針對由于天線單元存在位置誤差將結(jié)構(gòu)公差分配天線 單元在陣面內(nèi)，即X、y向的安裝位置誤差和在陣面法向，即z向的安裝高度誤差；
[0012] (4)利用天線單元的安裝高度誤差和安裝位置誤差，計(jì)算陣中相鄰兩天線單元在 觀察點(diǎn)處的輻射場空間相位差和散射場空間相位差，得到有源相控陣天線輻射場和散射場 的口面相位誤差；
[0013] (5)結(jié)合有源相控陣天線輻射場和散射場的口面相位誤差和計(jì)算的輻射場單元 輻射因子、散射場單元散射因子，以及電磁工作參數(shù)中的單元激勵(lì)電流的幅度和相位，分別 計(jì)算有源相控陣天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場和散射場方向圖函數(shù)，分別繪制天線輻射場和散射場方向 圖；
[0014] (6)根據(jù)有源相控陣天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場和散射場方向圖函數(shù)，分別計(jì)算有源相控陣 天線增益等福射場電性能參數(shù)和雷達(dá)散射截面積（Radar Cross Section, RCS)等散射場電 性能參數(shù)，相對于設(shè)計(jì)指標(biāo)分別計(jì)算，輻射場性能的惡化程度和散射場性能的改善程度；
[0015] (7)根據(jù)天線設(shè)計(jì)要求，判斷該結(jié)構(gòu)公差條件下的有源相控陣天線輻射場和散射 場性能是否同時(shí)滿足要求，如果滿足要求，則當(dāng)前的天線單元的安裝位置誤差和安裝高度 誤差就是所需要的結(jié)構(gòu)公差；否則，重新給定結(jié)構(gòu)公差，相應(yīng)分配天線單元的安裝位置誤差 與安裝高度誤差，并重復(fù)步驟（3)至步驟（6)，直至輻射場和散射場性能同時(shí)滿足要求。
[0016] 進(jìn)一步地，所述步驟（1)中有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括天線口徑、陣面天線 單元的行數(shù)、列數(shù)和單元間距；有源相控陣天線的電磁工作參數(shù)，包括該有源相控陣天線的 工作頻率f;和依此頻率計(jì)算的波長λ ^，雷達(dá)照射該天線時(shí)的入射波頻率fs和依此頻率計(jì) 算的雷達(dá)照射該天線的入射波波長λ s。
[0017] 進(jìn)一步地，所述步驟（4)中計(jì)算有源相控陣天線輻射場和散射場的口面相位誤 差，按照以下步驟進(jìn)行：
[0018] (4a)設(shè)有源相控陣天線共有MXN個(gè)天線單元按照等間距矩形柵格排列，陣中天 線單元在陣面內(nèi)，即 x方向和y方向的單元間距分別為dx和dy ;觀察點(diǎn)P相對于坐標(biāo)系 Ο-xyz所在的方向(^，識)以方向余弦表示為（cos Ψχ, cos Vy, cos Ψζ)。則得到觀察點(diǎn)P相 對于坐標(biāo)軸的夾角與方向余弦的關(guān)系為
[0019]

【權(quán)利要求】
1. 一種面向輻射和散射的有源相控陣天線結(jié)構(gòu)公差的快速確定方法，其特征在于，該 方法包括如下步驟： (1) 根據(jù)平面等間距矩形柵格排列的有源相控陣天線的基本結(jié)構(gòu)，確定有源相控陣天 線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作參數(shù)，給出初始結(jié)構(gòu)公差； (2) 根據(jù)有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作參數(shù)，計(jì)算其輻射場單元輻射因子和 散射場單兀散射因子； (3) 根據(jù)初始的結(jié)構(gòu)公差，針對由于天線單元存在位置誤差將結(jié)構(gòu)公差分配天線單元 在陣面內(nèi)，即X、y向的安裝位置誤差和在陣面法向，即z向的安裝高度誤差； (4) 利用天線單元的安裝高度誤差和安裝位置誤差，計(jì)算陣中相鄰兩天線單元在觀察 點(diǎn)處的輻射場空間相位差和散射場空間相位差，得到有源相控陣天線輻射場和散射場的口 面相位誤差； (5) 結(jié)合有源相控陣天線輻射場和散射場的口面相位誤差和計(jì)算的輻射場單元輻射因 子、散射場單元散射因子，以及電磁工作參數(shù)中的單元激勵(lì)電流的幅度和相位，分別計(jì)算有 源相控陣天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場和散射場方向圖函數(shù)，分別繪制天線輻射場和散射場方向圖； (6) 根據(jù)有源相控陣天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場和散射場方向圖函數(shù)，分別計(jì)算有源相控陣天線 輻射場電性能參數(shù)和散射場電性能參數(shù)，相對于設(shè)計(jì)指標(biāo)分別計(jì)算輻射場性能的惡化程度 和散射場性能的改善程度； (7) 根據(jù)天線設(shè)計(jì)要求，判斷該結(jié)構(gòu)公差條件下的有源相控陣天線輻射場和散射場性 能是否同時(shí)滿足要求，如果滿足要求，則當(dāng)前的天線單元的安裝位置誤差和安裝高度誤差 就是所需要的結(jié)構(gòu)公差；否則，重新給定結(jié)構(gòu)公差，相應(yīng)分配天線單元的安裝位置誤差與安 裝高度誤差，并重復(fù)步驟（3)至步驟（6)，直至輻射場和散射場性能同時(shí)滿足要求。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向輻射和散射的有源相控陣天線結(jié)構(gòu)公差的快速確 定方法，其特征在于，步驟（1)中有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括天線口徑、陣面天線單 元的行數(shù)、列數(shù)和單元間距；有源相控陣天線的電磁工作參數(shù)，包括該有源相控陣天線的工 作頻率f；和依此頻率計(jì)算的波長λ ^，雷達(dá)照射該天線時(shí)的入射波頻率fs和依此頻率計(jì)算 的雷達(dá)照射該天線的入射波波長λ s。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向輻射和散射的有源相控陣天線結(jié)構(gòu)公差的快速確 定方法，其特征在于，步驟（4)中計(jì)算有源相控陣天線輻射場和散射場的口面相位誤差，按 如下步驟進(jìn)行： (4a)設(shè)有源相控陣天線共有MXN個(gè)天線單元按照等間距矩形柵格排列，陣中天線單 元在陣面內(nèi)，即X方向和y方向的單元間距分別為dx和dy ;觀察點(diǎn)P相對于坐標(biāo)系o-xyz 所在的方向以方向余弦表示為（cos Ψχ, cos ￥y, cos Ψζ)，則得到觀察點(diǎn)P相對于坐 標(biāo)軸的夾角與方向余弦的關(guān)系為：
(2)； (4b)設(shè)等間距矩形柵格排列有源相控陣天線的ΜΧΝ個(gè)天線單元中第（m，η)個(gè)天線單 元的設(shè)計(jì)坐標(biāo)為（m · dx, η · dy, 0)，由于結(jié)構(gòu)公差在陣面內(nèi)X，y方向和陣面法向z方向的位 置偏移量為（Δχ^ AzJ，且第（0,0)個(gè)天線單元在x，y，z方向上的位置偏移量為 (Λχ。。，AyQQ，AzJ，則第（m，n)個(gè)天線單元相對于第（〇,〇)個(gè)天線單元的輻射場空間相位 差為： Δ φΓ? = kr(m*dx+Axmn-Ax00) · μ+kr (η · dy+Δ ymn-Δ y00) · ν+kr ( Δ zmn-Δ ζ〇〇) ^ + ym η (3) ； 其中，k, = 2π/λ^*輻射場空間波常數(shù)，Ynm是第（m，n)個(gè)天線單元的陣內(nèi)相位差， 第（m，η)個(gè)天線單元相對于第（0,0)個(gè)天線單元的散射場空間相位差為： Δ φ? = 2Χ [ks(m · dx+Axmn-Ax00) · μ+ks (η · dy+Δ ymn-Δ y00) · v+ks ( Δ zmn-Δ z〇〇) · ω] (4) ； 其中，ks = 2 π / λ s為散射場空間波常數(shù)； (4c)將每個(gè)天線單元相對于參考天線單元（0,0)的輻射場空間相位差和散射場空間 相位差，按照天線單元位置編號的順序分別存儲成矩陣的形式，這兩個(gè)矩陣即表示有源相 控陣天線輻射場和散射場的口面相位誤差。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種面向輻射和散射的有源相控陣天線結(jié)構(gòu)公差的快速確 定方法，其特征在于，步驟（5)中計(jì)算有源相控陣天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場和散射場方向圖函數(shù)，按 如下步驟進(jìn)行： (5a)根據(jù)陣列天線遠(yuǎn)場疊加原理，以及方向圖乘積定理，由步驟（2)得到的輻射場單 元輻射因子，以及步驟（4b)得到的有源相控陣天線輻射場空間相位差Λ Φ:，計(jì) 算出有源相控陣天線遠(yuǎn)區(qū)輻射方向圖函數(shù)為：
式中，Im是單元激勵(lì)電流；
(5b)忽略陣列的邊緣效應(yīng)以及天線單元之間的互耦，有源相控陣天線的散射場方向圖 函數(shù)則簡化為： (6)ι 式中，足（武免)為散射場單兀散射因子，武供)為散射場陣列散射因子； 根據(jù)雷達(dá)散射截面的計(jì)算公式和天線單元相位誤差分析，由步驟（2)得到的散射場單 元散射因子，以及步驟（4b)得到的有源相控陣天線散射場相位差Λ Φ:得到天 線散射場結(jié)構(gòu)與電磁耦合模型，即有源相控陣天線散射場方向圖函數(shù)為：
(5c)分別累加求和計(jì)算天線輻射場某點(diǎn)(民的輻射強(qiáng)度和散射場某點(diǎn)(久爐)的散 射強(qiáng)度，改變(爲(wèi)費(fèi))數(shù)值，重復(fù)計(jì)算過程，得出輻射場和散射場在天線工作空域范圍內(nèi)所有 點(diǎn)的輻射強(qiáng)度和散射強(qiáng)度，取對數(shù)后分別繪制天線輻射場方向圖和散射場方向圖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向輻射和散射的有源相控陣天線結(jié)構(gòu)公差的快速確 定方法，其特征在于，步驟￠)中計(jì)算輻射場性能的惡化程度和散射場性能的改善程度，按 如下過程進(jìn)行： (6a)根據(jù)有源相控陣天線輻射場方向圖函數(shù)，計(jì)算有源相控陣天線的增益G， 與設(shè)計(jì)指標(biāo)相比較，得到輻射場增益的損失量：
(8); (6b)根據(jù)有源相控陣天線散射方向圖函數(shù)·計(jì)算有源相控陣天線的RCS，與設(shè) 計(jì)指標(biāo)相比較，得到散射場RCS的縮減量：
(9).
【文檔編號】G06F17/30GK104063426SQ201410250446
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】王從思, 王偉鋒, 余濤, 康明魁, 段寶巖, 黃進(jìn), 王偉, 周金柱, 李娜 申請人:西安電子科技大學(xué)