Multi-Field-Coupled有源电子扫描阵列天线的模型和解决方案基于模型重建

文摘

天线天线有源电子扫描阵列(AESA)能够控制的辐射模式通过控制饲养阶段辐射元素。它具有良好的性能,在雷达系统中扮演一个重要的角色。AESA的发展对高频乐队和高密度阵列天线,在structural-electromagnetic-thermal(集)耦合变得越来越重要。它严重限制了高性能有源相控阵天线的实现。然而,之前报道的理论multi-field-coupled模型耦合问题忽略了给水系统的变形的影响和数组元素的电气性能。它只考虑了位置偏差数组元素的耦合场。因此,理论模型的数值解的准确性降低。为了克服上述问题,本文首先建立了场路耦合模型通过引入给水系统的变形错误到现有的理论模型。其次,本文提出了一个新的数值解multi-field-coupled AESA天线基于模型重建的问题。和模型重建包括以下:NURBS(非均匀有理b样条)表面拟合的算法,完成了从有限元模型映射到几何模型的曲面方程建立的节点信息和当地的模型重建算法决定了当地几何模型的位置和方向。 The NURBS surface fitting algorithm guarantees the accuracy of both the positions and shapes of array elements. The local model reconstruction algorithm ensures the accuracy of the amplitudes and phases of feed connectors. Finally, the numerical solution was applied to the 32-element AESA antenna and the simulations are close to the measurements.

1。介绍

天线天线有源电子扫描阵列(AESA)可靠性高,多种功能,检测能力强,良好的隐身能力(1,2]。在过去的几十年中,AESA天线在民用操作中发挥了重要作用和军事领域3]。为了获得更好的性能,AESA雷达天线发展向更高频率和密度。波米和厘米波检测的技术发展雷达相对成熟。毫米广泛应用于通信系统。高速和短途传输设备的频率可达几十兆赫(GHz)。更高的研究太赫兹应用程序已经开始了。的频段无线电波在射电天文学观测到可以达到数百兆赫(GHz) [4]。此外,AESA天线的组装密度持续增加,从二维组装过渡到三维组装。因此,设备必须的体积变得越来越小。例如,射频系统的大小从0.03减少到0.001(4]。因此,structural-electromagnetic-thermal(集)耦合变得越来越重要。它使增益损失,旁瓣水平升级,和不准确的波束指向5,6),从而限制了高性能阵列天线的发展。因此,multifield耦合是一个至关重要的问题,需要解决7]。

主要有两种类型的数字解决方案之前报道AESA的multifield耦合天线。一个是理论multi-field-coupled模型(8,9]。然而,该模型忽略了给水系统的变形的影响和数组元素的电气性能。它只考虑了位置偏差耦合场(数组元素的9),从而减少数值解的准确性。另一种是通过模拟。然而,不同软件之间的耦合,异构数据模型,有限元模型的网格不匹配,因为不同的分析目的和工具。克服上述问题的模拟,两种方法。一种方法是直接将异构网格导入仿真软件(10,11]。然而,进口必须简化网格,细化和均质,以满足分析需求和过程是复杂的12]。另一种方法是安装一个新的实体模型的异构网格,然后再啮合新模式13- - - - - -15]。然而,在引入新的误差拟合过程和电磁分析的结果的准确性降低(12]。

对于上述问题,本文首先建立了场路耦合模型通过引入给水系统的变形错误到现有的理论模型。其次,本文提出一种新的基于模型重建的模拟方法,精确地反映了位置偏差和self-deformations数组的元素。方法的主要好处之一是通过不同的仿真工具之间的实体模型耦合字段和新模型再啮合,这避免了繁琐的啮合过程。此外,NURBS(非均匀有理b样条)表面匹配算法保证了准确性的数组元素的位置和形状。和当地的模型重建算法保证振幅的准确性和阶段饲料连接器。因此,电磁分析的准确性提高。图1显示AESA雷达天线的结构。和天线阵馈电网络,本文对图中所示。

2。Multi-Field-Coupled AESA天线模型和解决方案

AESA的multifield耦合天线主要是顺序耦合温度场、结构位移场和电磁场。如图2、结构变形是由环境载荷和结构参数的变化引起的,也称为结构位移场(路径①)。其次,结构位移场影响温度场和电磁场通过上述变形(路径②)。最后,温度场的影响有两种形式:一种是影响电磁设备的性能(如T / R组件)③(路径),另一个是对电磁场的影响,结构位移场的变化(路径④)16]。

2.1。场路耦合模型

上述延用耦合AESA天线的过程,在传统的延用耦合模型(8,9所示),(1),激励源给水系统是理想的处理,通常采用单位激励源或者一种激励源,满足泰勒分布。然而,在耦合场,给水系统也变形。此外,电气性能的影响改变了特性阻抗和功率比的饲料网络,从而影响励磁电流。此外,馈电网络, 阻抗变换器的窄线宽,因为高传输阻抗。为了降低耦合效应,线的间距很大。因此,在耦合场中,变形误差的敏感性 阻抗变换器很大。摘要的长度变化之间的关系的 提要网络阻抗变换器和励磁电流推导出。和这个关系引入现有的耦合模型建立的场路耦合模型。图3显示了AESA雷达天线的空间关系。 在哪里 是模式函数, 是模式函数天线辐射元素的数组,励磁电流的振幅,结构的温度, 结构位移, 结构设计变量, , ,和是函数的数组元素的位置和方向取决于安排形式,如六角AESA天线和矩形AESA天线, , ,和 偏差值取决于元素的位置和 , 是数组相位差由移相器受控制吗 ,和和的间隔是辐射元素。

图4(一)给出了电路参数的馈电网络的功率分配器。接下来,之间的关系和推导出两个方面。首先,微带引起的变形功率分配器的阻抗失配,导致非零在电源输入端反射系数 。

其次,微带的变形引起的不均匀分布在每个分支,假设输入功率的一个分支 。和根据阻抗变换器理论推导了吗 因此,

同时,考虑到还有之间的反射 阻抗变换器和负载,因此,负载功率

最后,根据电流和功率之间的关系,获得元素励磁电流 在哪里是总功率的输入功率分配器,的特性阻抗微带在输入端,数组元素的阻抗,和(也或图中)的阻抗 从输入端阻抗变换器在负载(箭头)的阻抗 从输出端阻抗变换器研究源(箭头的方向相反)。显示为

和是相同的,在哪里特性阻抗的阻抗变换器。和的意思的公式如下:

如果上面的功率分配器相当于三端口网络,如图4 (b),级联微波完整的矩阵

因此,三端口网络散射参数矩阵 在哪里 , , ,和阻止了子矩阵。

2.2。Multifield耦合问题的数值解

AESA的multifield耦合天线主要是顺序耦合。因此,解决方案是由连续的分离(16]。传统方法的理论模型,实际的模型简化的数值解,它只考虑了位置偏差,忽视其self-deformations数组的元素。本文进行了数值解通过使用先进的仿真软件,基于模型重建,考虑变形的数组元素。这种方法避免了复杂的啮合过程,克服了传统的大型装配错误问题数值模拟仿真软件的使用。图5显示的数值解的流程图multifield耦合问题,具体步骤如下:(1)AESA雷达天线的有限元模型建立。和热负荷应用于模型的热分析软件。天线的温度场和变形模型(2)(1)中的变形模型引入到结构分析软件使用本文中的模型重建方法(部分中解释3),它是随着外部负载应用。结构位移进行分析。和结构位移场和变形模型叠加(1)(3)(2)中叠加的模型引入电磁分析软件仍然使用本文中的模型重建方法,和温度场(1)应用于执行最后的电磁性能

3所示。模型重建

AESA的关键解决multifield耦合问题天线使用仿真软件是克服数据模式异构的问题,网格不匹配造成的不同的分析工具。摘要天线阵的模型重建包括数组元素的重建和重建SMA连接器。图6显示了天线阵列的结构。和数组元素和提要在图中所示。上面的NURBS(非均匀有理b样条)表面匹配算法保证数组元素的位置和形状精度和当地的模型重建算法确保振幅和阶段的准确性提出了饲料的连接器。重建算法的流程图如图7。

3.1。数组元素重建基于NURBS曲面拟合

AESA雷达天线进行各种形式的变形通过不同外部载荷在服务。NURBS曲面提供了统一的数学形式表示任意形状的表面,从而促进转移通过表面模型方程,避免了几何建模错误由于异构数据模型在不同耦合的字段。同时,NURBS技术已通过许多优秀的CAD / CAM软件和具有极高精度表面拟合(17),从而提高拟合精度的数组元素的表面模型重建AESA天线。的表达 - - - - - -必要NURBS曲面(18] 在哪里 是对应的控制顶点的拓扑矩形阵列组成一个控制网格,重量与顶点相关联,和是规范b样条基函数由向量 的方向和向量 的方向 ,分别根据de Boor-Cox递归公式。的递推公式被定义为

对测 ,的递推公式是相似的。

NURBS曲面拟合的具体步骤如下:(1)假设NURBS曲面的数组 - - - - - -必要和假设 (2)有限元模型的节点信息提取与NURBS曲面数据点拟合。参数值被分配给每个数据点决定了节点向量和(19](3)横截面的截面曲线建立了数据点在节点向量使用NURBS曲面的逆算法(18),控制顶点 得到(4)横截面的截面曲线建立了数据点在节点向量使用NURBS曲面的逆算法,控制顶点 得到(5)表面是纠正在本地和新重量计算了重量变化的方法(19](6)根据计算获得的NURBS曲面是控制点 ,权重 ,节点向量和 ,和表面的数组和

在获得合适的表面,表面方程输入下一个物理场的耦合分析通过编程接口程序和仿真软件中创建一个新的表面使用曲面方程。此外,模型的节点信息提取的边界从之前的物理领域用作表面的约束条件方程,用于重建数组元素的边界模型。重建的数组元素模型中描述的部分3所示。3。

3.2。当地的模型重建SMA连接器

为了确保振幅的准确性和重建阶段的饲料(SMA连接器)模型,探讨了模型重建算法从两个方面:SMA连接器的位置和方向指向。这两个是重要的影响因素之间的阻抗匹配辐射贴片和饲料线,从而影响喂养振幅和阶段。

确定的位置SMA连接器,连接器的输出端口近似为平面圆。最大值和最小值在平面上圆的坐标x,y,z的节点搜索,如图8。根据相似三角形原理、中间值作为连接器的点的位置。进料口的近似条件如下:(1)SMA连接器在服务拥有大量的刚性和实际变形最小(2)不考虑材料的延性

确定的指向方向SMA连接器:表面方程获得了部分3所示。1和书面的一般形式 。假设连续性条件的满足 和替换的位置的坐标SMA连接器(也近似圆心的坐标),表面的法线方向方程

的偏导数 , ,和是由替代曲面方程的系数上面的公式。此外,在正常的方向 获得的新的指向方向SMA连接器。重建的SMA连接器模型中描述的部分3所示。3。

3.3。结果和分析

在传统的数字解决方案,一些学者分析了multifield AESA天线的耦合拟合分析软件的实体模型,然后再啮合的新模型。例如,使用Modeler有限元(FEM)软件来完成这项工作。图9显示了天线安装的元件模型有限元软件。通过软件拟合过程中,有限元模型必须首先被转换成.x_t格式的补丁的形式通过模型的表面信息。其次,实体模型与补丁缝,这是一个必要的一步有限元模型来处理。在这个过程中,一些网信息和组件之间的连接信息丢失和拟合误差。由于上述原因,最终模型的准确性降低如下:(1)如图,SMA连接器的圆柱表面包含多个补丁影响模型的完整性。这是因为前面的稀疏网格的结构分析。然而,如果加密网格,计算量将会增加。当模型是复杂或有很多组件,将严重影响计算效率。与此同时,为了考虑拟合精度和计算,网格调整是极其复杂的过程(2)如图,高端的SMA连接器被公认为空间的电磁分析软件,这使得它不可能应用励磁电流的电磁分析软件。这是因为变形的天线阵列(3)如图,低端的SMA连接器和底物不能完全依附于对方,影响进食的效果

在本文的模型重建,只要SMA连接器的位置和方向指向准确地确定部分3所示。2,标准气缸的电磁分析软件可以用来完成SMA连接器模型的重建。因此,该模型是完整的和定期和低端表面是平面。此外,衬底和SMA连接器需要减去的布尔减法操作分析软件。减法后,每个点的曲率的高端表面SMA连接器恰逢上各点的曲率之间的基板和一个完美的适合两个保证。与此同时,NURBS曲面拟合的算法确保数组元素模型的准确性。图10 ()显示了天线元素模型生成的模型重建方法摘要和图10 (b)显示了侧面。

电气性能有限元法获得的结果拟合方法和模型重建方法比较与实验测试结果,分别。图(11日)显示了辐射方向图和图11 (b)显示了回波损耗。结果表明,模型重建方法具有较高的分析精度。

4所示。仿真和实验结果

下面是multifield耦合的情况下分析32-element AESA在c波段天线的工作频率为5.8 GHz。测量和模拟的比较不同的方法。

4.1。仿真过程基于模型重建

以下4.4.1。对结构位移场和温度场的分析

节中描述2.2,分析结构位移场和温度场进行了有限元分析软件。在这种情况下,左端天线固定和位移的50 mm (5.8 GHz的接近波长天线)是应用于右端。同时,温度载荷应用于身体负荷的形式。叠加的力载荷和温度载荷、结构位移场分布和温度场分布的天线。提取和天线阵的变形为后续的模型重建和电气性能分析,如图12。图13显示了材料参数测试实验。元素类型和材料属性如表所示1。

4.1.2。模型重建和电气性能分析

根据部分中描述的方法3,该模型重建在电磁分析软件的有限元模型的节点信息的温度和结构位移场。啮合和电气性能分析进行模型重建。图14显示了在电磁场天线实体模型重建。模型是完整、准确和可直接用于仿真分析。图(14日)显示了前视图,基质的重建模型和补丁定期、准确和两个完全依附于对方。图14 (b)显示后视,SMA连接器的位置是准确的和同轴线的方向是一样的正常的表面。电气性能的分析结果中描述的部分4所示。2。

4.2。模拟和实验结果的比较

的电气性能天线阵测量,如图15。图16显示了天线阵模型(20.]。

4.2.1。准备电气性能不考虑场耦合分析

不考虑磁场耦合,辐射模式通过本文方法与实验测试结果,如图17。相比之下,获得两者之间的相对误差是1.92%,波束指向的相对误差是0%,和旁瓣水平的相对误差小于9.90%,如表所示2。实验结果说明了该方法的准确性。

4.2.2。电气性能的耦合场分析

在耦合场模型重建方法的结果和其他传统方法比较测量结果如图18。从五个方面:这些方法比较分析的准确性,计算时间,适用性AESA天线、自动化能力和耦合分析能力。首先,表3表明该模型重建方法与其他传统方法相比精度最高。如下,增益的相对误差为2.24%,相对误差的波束指向(比例相对于波束宽度)是2.17%,和旁瓣的相对误差小于8.71%。其次,表4显示来自其他方面的比较。这表明该模型重建方法优于其他方法:(1)模型重建方法避免了繁琐的啮合过程,节省了许多时间计算。(2)模型重建方法具有良好的适用性AESA天线的结构,既能描述连接组件和self-deformation元素的准确。(3)模型重建方法有巨大的自动化能力,从而提高工作效率的解决方案。(4)模型重建方法可以用于multifield耦合和场路耦合分析。

5。结论

摘要场路耦合模型建立了给水系统的变形误差引入到现有的理论模型。此外,新的数值计算方法multi-field-coupled AESA天线问题提出了基于模型重建。重建模型中,提出了两种算法:NURBS(非均匀有理b样条)表面拟合的算法,完成了从有限元模型映射到几何模型的曲面方程建立的节点信息和当地的模型重建算法决定了当地几何模型的位置和方向。数值解是应用于32-element AESA天线。对比模拟和测量结果显示如下:(1)与传统的装配仿真软件相比,该方法避免了挑剔的啮合过程,节省了许多时间计算。(2)与传统的耦合设置模型相比,该方法具有较高的精度。这是因为NURBS曲面拟合的算法保证了数组元素的位置和形状精度和当地的模型重建算法保证振幅的准确性和阶段饲料连接器。此外,本文提出的方法提供了一个新想法的数值解multi-field-coupled AESA天线的问题。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(号。51575419,51775405,51490664),教育部的共同基金的中华人民共和国(不。6141 a02022107),国防基础研究项目(没有。JCKY2016210B002)。智恒Cai, Bo Tang Kang Zhanbiao杨,西安电子科技大学和Siwen张在项目实验提供帮助。他们的努力完成的研究是至关重要的。

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