CN101930495B

CN101930495B - 基于网格转换的平板裂缝阵天线机电综合分析方法

Info

Publication number: CN101930495B
Application number: CN 201010289921
Authority: CN
Inventors: 郑飞; 李娜; 段宝岩; 陈梅; 李鹏; 宋立伟
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2010-09-25
Filing date: 2010-09-25
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2030-09-25
Also published as: CN101930495A

Abstract

本发明公开了基于网格转换的平板裂缝阵天线机电综合分析方法，用于解决现有分析方法不能施加天线细节变形信息，结构网格与电磁网格不匹配，结构分析与电磁分析脱节的问题。其实现过程是：根据天线的结构参数建立其有限元模型；对有限元模型的网格进行细化；进行结构分析，提取变形后结构模型；将结构模型的四面体体单元向三角形面单元转换；提取和合成天线的内腔模型；将内腔模型转化为电磁分析模型；进行电磁分析，得到天线的电性能。本发明将平板裂缝阵天线的结构网格转换为电磁网格，集成了结构分析与电磁分析，显著提高天线的分析精度和效率，可用于微波频段平板裂缝阵天线、反射面天线和滤波器的分析与设计工作。

Description

基于网格转换的平板裂缝阵天线机电综合分析方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别是平板裂缝阵天线的机电综合分析方法，用于提高平板裂缝阵天线计算机辅助分析的精度与效率。

背景技术

平板裂缝阵天线是波导裂缝天线的主要形式，其具有结构简单、紧凑、馈电方便和口径利用率高等特点，在微波波段和毫米波的低端具有广泛应用。由于平板裂缝阵天线是一种机电综合的产品，其结构特性直接影响电磁特性，尤其是大口径高频段的平板裂缝阵天线，电磁性能对结构更为敏感。在平板裂缝阵天线传统的分析中，由于其辐射波导、耦合波导、激励波导的物理尺寸差异较大，结构分析的网格往往不统一，而电磁分析又需要统一的网格尺寸和形式。结构网格和电磁网格的均匀性，网格密度均存在不匹配的问题，这给平板裂缝阵天线分析的精度与效率带来了严重的影响。

现有的平板裂缝阵天线机电综合分析方法中结构分析采用的有限元方法是对整个平板裂缝阵天线结构进行网格划分，得到的是结构体内部和外部边界上的网格节点信息，而电磁场分析采用的矩量法是对结构体的外部边界即电磁场边界进行网格划分。因此，结构分析和电磁分析之间网格节点信息的传递准确与否关系着机电综合分析的准确性，即从结构分析中提取出网格信息要能够反映出电磁场的边界信息。而且针对不同的天线结构有限元模型也有所不同，不可能给出通用的结构边界网格信息提取方法，需针对具体结构有限元给出其网格提取方法。结构位移场的存在，变形前后的网格信息也将改变，同时电磁分析的准确度还受到网格信息的控制。因此，结构分析与电磁分析地单独进行也必然会严重影响平板裂缝阵天线分析的精度与效率。

对于平板裂缝阵天线机电综合分析中所存在的上述问题，目前学术论文和专利中主要采用的处理方法是从结构网格拟合出新的曲面方程，然后将曲面方程引入到电磁场分析中，重新生成网格进行分析计算。这种方法的优点是可以忽略实际的平板裂缝阵天线结构形式和具体的结构网格，生成有利于电磁分析计算的新的电磁网格；其缺点是拟合过程中忽略了结构网格模型中因制造误差、装配误差、环境影响所产生的结构变形细节，使得计算结果与实际测试结果有较大的偏差。对于辐射波导、耦合波导、激励波导的网格形式不统一的问题，目前的主要处理办法是针对不同的物理尺寸，采用不同的电磁分析方法，对于尺寸较小的耦合波导、激励波导，采用矩量法等较精确的分析方法，而对于尺寸较大的辐射波导，采用高频近似方法。这种方法虽然平衡了计算精度与计算时间的矛盾，但是仍然存在结构网格与电磁网格不匹配，结构分析与电磁分析脱节的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种平板裂缝阵天线的机电综合分析方法，将平板裂缝阵天线的结构网格直接转换为电磁分析网格，使结构网格与电磁网格相匹配，同时考虑平板裂缝阵天线的结构变形细节，将天线结构分析和电磁分析形成一个有机整体，提高了平板裂缝阵天线分析的精度与效率。

实现本发明目的的技术方案是，根据平板裂缝阵天线的结构参数建立天线的有限元模型；根据平板裂缝阵天线的工作频率确定平板裂缝阵天线结构分析网格的划分密度，对平板裂缝阵天线结构网格进行细化；对细化后的平板裂缝阵天线结构网格进行结构分析，提取出变形后平板裂缝阵天线的结构模型；将平板裂缝阵天线结构模型的四面体体单元向三角形面单元转换，构建平板裂缝阵天线的表面模型；根据平板裂缝阵天线的表面模型提取和合成变形后平板裂缝阵天线结构的内腔模型；将平板裂缝阵天线的内腔模型转换为平板裂缝阵天线的电磁分析模型，从而最终实现平板裂缝阵天线的机电综合分析。具体步骤如下：

（1）根据平板裂缝阵天线的实际结构参数，通过结构分析软件建立平板裂缝阵天线的有限元三维模型；

（2）从平板裂缝阵天线有限元三维模型中分别提取出平板裂缝阵天线辐射波导、耦合波导、激励波导的网格节点坐标，构建辐射波导、耦合波导和激励波导的原始结构网格；

（3）根据平板裂缝阵天线的工作频率对辐射波导、耦合波导和激励波导的原始结构网格进行细化：

（3a）根据平板裂缝阵天线的工作频率，确定网格划分大小；

（3b）将辐射波导的原始网格中的每一个三角形一分为四，即把每一个三角形三条边的中点连接在一起，将每一个三角形划分成四个小三角形；

（3c）判断细化后的网格是否满足步骤（3a）确定的网格大小要求，如果满足，则细化结束，反之，重复步骤（3b），进一步细化网格，直到满足步骤（3a）确定的网格大小要求为止；

（3d）针对平板裂缝阵天线耦合波导和激励波导的原始结构网格，重复上述步骤(3b)至步骤(3c)，得到各自细化后的平板裂缝阵天线结构网格。

（4）根据有限元分析软件对细化后的平板裂缝阵天线结构网格进行结构分析，得到平板裂缝阵天线变形之后的结构网格；

（5）将平板裂缝阵天线变形之后的结构网格中的四面体体单元转换为三角形面单元；

（6）根据平板裂缝阵天线的三角形面单元建立平板裂缝阵天线表面模型，由平板裂缝阵天线表面模型中提取并合成平板裂缝阵天线变形后结构的内腔模型；

（7）将平板裂缝阵天线的内腔模型按如下步骤转换为电磁分析模型：

（7a）将平板裂缝阵天线的内腔模型转化成wrl格式文件；

（7b）从wrl格式的文件中将各个平板裂缝阵天线子阵取出，并将其转换成geo文件；

（7c）对子阵的geo文件进行盒内删除，得到新的开缝隙geo文件；

（7d）将步骤（7c）得到的新的开缝隙geo文件转化成dat文件；

（7e）将生成的dat文件导入专业电磁分析软件FEKO中，合成平板裂缝阵天线电磁分析模型。

（8）根据步骤（7）得到的平板裂缝阵天线电磁分析模型，导入到电磁分析软件中，设置辐射边界，激励，计算平板裂缝阵天线的电性能参数，如果满足预设的电性能计算精度要求则完成计算，反之，重复步骤（1）至步骤（7），直到满足预设的电性能计算精度要求为止。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1）本发明由于根据平板裂缝阵天线的工作频率来控制结构分析网格的划分密度，不但提高了计算速度，而且使得本发明的分析方法适合于不同工作频段的平板裂缝阵天线模型的分析，扩大了分析范围。

2）本发明在结构网格的生成过程中加入外载荷引起的细节变形信息，提高了对平板裂缝阵天线模型描述的准确性。

3）本发明由于将结构网格直接转换为电磁分析网格，有效解决了平板裂缝阵天线结构网格与电磁网格不匹配问题，显著提高平板裂缝阵天线的分析精度。

4）本发明由于将结构分析和电磁分析通过确定的步骤组合成有机的整体，有效解决平板裂缝阵天线结构分析与电磁分析脱节的问题，显著提高平板裂缝阵天线分析的精度与效率。

仿真结果表明：本发明不仅可以有效解决平板裂缝阵天线分析过程中不能引入天线结构细节变形信息，天线结构网格与电磁分析网格不匹配，结构分析与电磁分析脱节的问题，而且能够显著提高平板裂缝阵天线电磁分析计算的精度与效率。

附图说明

图1是本发明的总流程图；

图2是本发明根据平板裂缝阵天线工作频率确定天线结构网格划分大小的子流程图；

图3是本发明对平板裂缝阵天线的原始结构网格进行细化的子流程图；

图4是本发明中平板裂缝阵天线的原始结构网格图；

图5是本发明中平板裂缝阵天线的细化后的结构网格图；

图6是本发明提取平板裂缝阵天线结构模型的子流程图；

图7是本发明采用的平板裂缝阵天线的实物图；

图8是本发明构建的平板裂缝阵天线的有限元三维模型图；

图9是本发明构建的平板裂缝阵天线的结构模型图；

图10是本发明构建的平板裂缝阵天线的电磁分析模型图；

图11是本发明仿真采用的口径1米，工作于X频段的平板裂缝阵天线的结构简化模型图；

图12是本发明采用的平板裂缝阵天线模型在75℃温度载荷作用下的变形云图；

图13是本发明采用的平板裂缝阵天线模型在-55℃温度载荷作用下的变形云图；

图14是对本发明采用的平板裂缝阵天线模型在75℃温度载荷作用下进行仿真得到的E面远场方向图；

图15是对本发明采用的平板裂缝阵天线模型在75℃温度载荷作用下进行仿真得到的H面远场方向图；

图16是对本发明采用的平板裂缝阵天线模型在-55℃温度载荷作用下进行仿真得到的E面远场方向图；

图17是对本发明采用的平板裂缝阵天线模型在-55℃温度载荷作用下进行仿真得到的H面远场方向图；

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤一，根据平板裂缝阵天线的实际结构参数，通过结构分析软件建立平板裂缝阵天线的有限元三维模型。

针对如图7所示的平板裂缝阵天线实物图，其实际结构参数包括天线的辐射缝、耦合缝和激励缝的位置、缝长、缝宽和偏置量以及辐射波导、耦合波导和激励波导的长、宽、高，根据这些结构参数，通过结构分析软件ANSYS11.0建立如图8所示的平板裂缝阵

天线结构的有限元三维模型。

步骤二，从平板裂缝阵天线的有限元三维模型中分别提取出天线辐射波导、耦合波导、激励波导的网格节点坐标，构建辐射波导、耦合波导和激励波导的原始结构网格。

（2a）将平板裂缝阵天线的有限元三维模型中的辐射波导网格直接投影到平板裂缝阵天线所在的平面上，得到其平面网格；

（2b）根据平板裂缝阵天线的工作频率，确定其网格划分大小要求，进而确定网格细化的密度，即平面网格中差值和扫描点的密度；

（2c）采用插值与扫描线填充相结合的方法，计算平板裂缝阵天线辐射波导平面网格中的位置点及其在相对应的有限元三维模型中的三维坐标点；

（2d）依次将各三维坐标点用数据形式存贮，即将三维坐标点（X、Y、Z）的（X、Y）坐标值利用图像矩阵的位置存储，得到辐射波导的原始结构网格；

（2e）按照上述步骤（2a）至步骤（2d）中对辐射波导网格的处理方式，对平板裂缝阵天线耦合波导和激励波导进行处理，得到如图4所示的包含辐射波导、耦合波导和激励波导的天线原始结构网格。

步骤三，根据平板裂缝阵天线的工作频率对辐射波导、耦合波导和激励波导的原始结构网格进行细化。

参照图3，本步骤的具体实现如下：

（3a）参照图2，根据平板裂缝阵天线的工作频率，得到天线的工作波长；再使用七分之一工作波长作为天线网格划分的三角形网格的边长；

（3b）将辐射波导的原始结构网格中的每一个三角形一分为四，即把每一个三角形三条边的中点连接在一起，将每一个三角形划分成四个小三角形；

（3d）按照上述步骤（3b）至步骤（3c）中对辐射波导网格的处理方式，针对平板裂缝阵天线耦合波导和激励波导的原始结构网格进行处理，得到如图5所示的细化后的天线结构网格。

步骤四，参照图6，根据有限元分析软件对细化后的平板裂缝阵天线结构网格，设置边界条件，施加载荷和控制的位置与量值，进行结构分析，得到如图9所示的天线变形之后的结构模型。

步骤五，将平板裂缝阵天线变形之后的结构模型中的四面体体单元转换为三角形面单元。

（5a）根据变形之后的天线结构模型，得到天线的所有体单元；

（5b）针对每一个天线的体单元，提取出其四个面单元；

（5c）从四个面单元中提取出位于天线表面的面单元；

（5d）将提取出的面单元划分成三角形的形式。

步骤六，根据平板裂缝阵天线的三角形面单元建立天线表面模型，由天线表面模型中提取并合成天线变形后结构的内腔模型。

（6a）将步骤五生成的三角形面单元进行合成，构建天线的表面模型；

（6b）提取表面模型中处于天线内腔的所有面单元；

（6c）判断提取出的每两个面单元是否重合，如果重合则取其中一个，反之，全部保留；

（6d）将保留的全部面单元合成，构建天线的内腔模型。

步骤七，将平板裂缝阵天线的内腔模型转换为电磁分析模型。

（7a）将天线的内腔模型转换成wrl格式文件；

（7b）从wrl格式的文件中将各个天线子阵取出，并将其转换成geo文件；

（7d）将步骤（7c）得到的新的开缝隙geo文件转化成dat文件；

（7e）将生成的dat文件导入专业电磁分析软件FEKO5.4中，合成如图10所示的天线电磁分析模型。

步骤八、根据步骤七得到的平板裂缝阵天线电磁分析模型，应用电磁分析软件HFSS11.0，设置辐射边界，激励，计算天线的电性能参数，如果满足预设的电性能计算精度要求则完成计算，反之，重复步骤一至步骤七，直到满足预设的电性能计算精度要求为止。

本发明的优点可通过以下仿真实例进一步说明：

本发明的网格信息提取方法、网格处理方法、模型转换方法可根据平板裂缝阵天线具体结构和工作频段要求确定。以下给出一种天线实例，但不限于这种实例。

仿真实例1：

一个口径1米，工作于X频段的平板裂缝阵天线，采用波导宽边开缝隙的结构形式，由辐射波导、耦合波导、激励波导三层构成，有32个子阵，总共1172个辐射缝，根据这些结构参数构建其结构模型如图11所示。对其进行高低温载荷作用下的变形模型仿真分析。应用结构分析软件ANSYS11.0进行结构分析，电磁分析软件HFSS11.0进行电性能计算。

使用本发明的方法对该平板裂缝阵天线结构模型施加温度为75℃的载荷，得到的天线变形云图如图12所示，其最大变形SMX=2.623mm。对该天线结构简化模型施加温度为-55℃的载荷，得到的天线变形云图如图13所示，其最大变形SMX=0.954mm。再对该平板裂缝阵天线模型进行网格划分，模型转换并计算其天线远场方向图，其中：

对本发明采用的天线模型在75℃温度载荷作用下进行仿真得到的E面远场方向图如图14所示；

对本发明采用的天线模型在75℃温度载荷作用下进行仿真得到的H面远场方向图如图15所示；

对本发明采用的天线模型在-55℃温度载荷作用下进行仿真得到的E面远场方向图如图16所示；

对本发明采用的天线模型在-55℃温度载荷作用下进行仿真得到的H面远场方向图如图17所示；

从图14和图16的比较中可以看出，温度载荷的变化对天线E面远场方向图的副瓣影响较大，对天线方向图进行归一化之后，左第一副瓣从-33dB升高到-29dB，右第一副瓣-40dB升高到-31dB。

从图15和图17的比较中可以看到，温度载荷的变化对天线H面远场方向图的副瓣影响较大，对天线方向图进行归一化之后，左第一副瓣从-29dB升高到-26dB，右第一副瓣-28dB降低到-32dB。由此可见，温度载荷越大，天线电性能对于结构变形信息的变化越敏感，天线的机电综合分析方法也更为必要。

以上实例和仿真结果表明，本发明方法在天线分析方面不仅有效地综合集成了结构分析与电磁分析，而且在计算精度与速度方面有着显著改善。

本发明不仅能用于平板裂缝阵天线的分析工作，也能用于微波频段的反射面天线和滤波器的分析工作。

Claims

1.一种基于网格转换的平板裂缝阵天线机电综合分析方法，包括如下步骤：

（1）根据平板裂缝阵天线的实际结构参数，通过结构分析软件建立平板裂缝阵天线的有限元三维模型，所述的平板裂缝阵天线的实际结构参数，包括平板裂缝阵天线的辐射缝、耦合缝和激励缝的位置、缝长、缝宽和偏置量以及辐射波导、耦合波导和激励波导的长、宽、高；

（3d）按照上述步骤（3b）至步骤（3c）中对辐射波导网格的处理方式，针对平板裂缝阵天线耦合波导和激励波导的原始结构网格进行处理，得到各自细化后的结构网格；

（4）根据有限元分析软件对细化后的平板裂缝阵天线结构网格，设置边界条件，施加载荷和控制的位置与量值，进行结构分析，得到平板裂缝阵天线变形之后的结构模型；

（5）将平板裂缝阵天线变形之后的结构模型中的四面体体单元转换为三角形面单元；

（6）根据天线的三角形面单元建立平板裂缝阵天线表面模型，由平板裂缝阵天线表面模型中提取并合成平板裂缝阵天线变形后结构的内腔模型：

（6a）将步骤(5)生成的三角形面单元进行合成，构建平板裂缝阵天线的表面模型；

（6b）提取表面模型中处于平板裂缝阵天线内腔的所有面单元；

（6d）将保留的全部面单元合成，构建平板裂缝阵天线的内腔模型；

（7a）将平板裂缝阵天线的内腔模型转换成wrl格式文件；

（7d）将步骤（7c）得到的新的开缝隙geo文件转化成dat文件；

（7e）将生成的dat文件导入专业电磁分析软件FEKO中，合成平板裂缝阵天线电磁分析模型；

2.根据权利要求1所述的基于网格转换的平板裂缝阵天线机电综合分析方法，其中步骤（2）所述的从平板裂缝阵天线有限元三维模型中分别提取出平板裂缝阵天线辐射波导、耦合波导和激励波导的网格节点坐标，构建辐射波导、耦合波导和激励波导的原始结构网格，按如下步骤进行：

（2a）将所述的平板裂缝阵天线的有限元三维模型中辐射波导的网格直接投影到平板裂缝阵天线所在的平面上，得到其平面网格；

（2b）根据平板裂缝阵天线的工作频率，确定网格划分大小的要求，进而确定网格细化的密度，即平面网格中差值和扫描点的密度，所述的根据平板裂缝阵天线的工作频率，确定网格划分大小，是先由平板裂缝阵天线的工作频率，得到平板裂缝阵天线的工作波长；再使用七分之一工作波长作为平板裂缝阵天线网格划分的三角形网格边长；

（2e）按照上述步骤（2a）至步骤（2d）中对辐射波导网格的处理方式进行处理，对平板裂缝阵天线耦合波导和激励波导各自的网格进行处理，得到平板裂缝阵天线辐射波导、耦合波导和激励波导各自的原始结构网格。

3.根据权利要求1所述的基于网格转换的平板裂缝阵天线机电综合分析方法，其中步骤（5）所述的将平板裂缝阵天线变形之后的结构模型中的四面体体单元转换为三角形面单元，按如下步骤进行：

（5a）根据变形之后的平板裂缝阵天线结构模型，得到平板裂缝阵天线的所有体单元；

（5b）针对每一个平板裂缝阵天线的体单元，提取出其四个面单元；

（5c）从四个面单元中提取出位于平板裂缝阵天线表面的面单元；

（5d）将提取出的面单元划分成三角形的形式。