圆柱共形阵列天线机电耦合建模及应用

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共形天线以其易共形于各类型载体平台的独特优势广泛应用于各种飞行器以及各类运载体上,成为雷达领域中的研究热点。天线与载体表面共形,既能增大天线口径、提高增益、降低系统的雷达散射截面(RCS),提高其隐身性能,又能保障载体的空气动力学性能,具有重要的科学价值和现实意义。  共形天线作为复杂的电子装备,是天线结构、电磁等多个学科相互融合的系统,共形天线的结构不仅是共形天线电性能的载体与保障,它同时也制约着共形天线电性能的实现。复杂的服役载荷环境引起共形天线阵面结构变形会使共形天线电性能发生变化,严重制约共形天线优良性能的实现。然而由于共形天线各个阵元不处于同一个平面,阵元轴向不同致使阵元最大辐射方向不同、各个阵元极化方向也不同,故而不能利用平面阵列天线电性能的计算方法来直接计算共形天线的辐射场,使得共形天线辐射场计算尤为复杂。为此,本文以圆柱共形阵列天线为例,对圆柱共形阵列天线结构位移场与电磁场的耦合关系进行了深入研究,主要内容如下:  (1)从圆柱共形阵列天线阵面结构变形时,阵元位置偏移、阵元周向发生变化,致使圆柱共形阵列天线阵列坐标系下的阵元方向图以及阵元空间相位差改变的角度出发,对圆柱共形阵列天线结构位移场与电磁场之间的耦合关系进行了深入分析,建立了圆柱共形阵列天线的机电耦合模型。并将建立的耦合模型计算的结果与商业电磁分析软件HFSS的仿真结果进行了对比,验证了该耦合模型的准确性。利用建立的圆柱共形阵列天线机电耦合模型,分别分析了周向误差、轴向误差、径向误差对圆柱共形阵列天线电性能的影响。  (2)为了有效解决在圆柱共形阵列天线结构方案设计时难以快速确定与分配天线位置公差的问题,基于圆柱共形阵列天线机电耦合模型,提出了圆柱共形阵列天线位置公差确定方法,同时为了确定圆柱共形天线可应用的载荷范围,也提出了一种基于机电耦合的圆柱共形阵列天线临界载荷确定方法,并针对载荷环境下,不满足天线电性能要求的圆柱共形阵列天线,给出了基于机电耦合模型的结构参数优化方法,保障载荷作用下圆柱共形阵列天线的电性能满足要求。  (3)为了快速评估存在位置公差的圆柱共形阵列天线电性能,使用 C++ Builder开发设计了一款基于机电耦合模型的圆柱共形阵列天线位置公差计算软件,利用该软件可以快速分析存在位置公差的圆柱共形阵列天线电性能,并且得到与无位置公差的天线相比各个电性能的变化量,快速评估存在位置公差时圆柱共形阵列天线的电性能,从而给天线结构设计人员提供重要参考。并以工作在3GHz,阵元周向行数2、轴向列数5,圆柱半径1000mm,阵元为半波对称振子的圆柱共形阵列天线为例,应用基于机电耦合模型的圆柱共形阵列天线位置公差计算软件进行了存在位置公差的圆柱共形阵列天线电性能分析的全过程,对该软件的有效性进行了很好的验证。
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