CN102253290B - 基于机电耦合模型的变形对数周期天线电性能预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于机电耦合模型的变形对数周期天线电性能预测方法，主要解决对数周期天线中机电分离的问题。其方法包括：基于对数周期天线的结构设计参数建立有限元模型，加载自重及随机风等环境载荷，并进行有限元分析，得到其结构位移场。利用该分析结果，得到对数周期天线中各振子单元的电流分布以及由于振子单元位置和偏转引起的相位差，根据叠加定理，计算天线远区电场方向图；得到天线电性能参数，实现对数周期天线的机电耦合分析。本发明可使对数周期天线结构设计人员提高天线设计与制造质量。

Description

基于机电耦合模型的变形对数周期天线电性能预测方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体是一种水平极化扇形对数周期天线阵列电性能预测方法，用于指导对数周期天线的结构设计和电性能仿真分析与评价。

背景技术

对数周期偶极天线（LOG-PERIODIC DIPOLE ARRAYS）简称LPDA，是一种结构简单、性能优良的极宽频带天线，它主要应用于短波、超短波、微波等波段的通信、测向、搜索、电子对抗等方面，用途广泛。简单举例：在短波波段，它可作为利用天波传播的通信天线或测向天线；在超短波段，它可作为电视共用天线系统的理想接收天线或宽带通信、电子对抗天线等；在微波波段，它常作为抛物面反射器、角形反射器天线或透镜天线的馈源、以及相控阵天线中的辐射单元或超宽带通信的通信天线。由于它的宽带特性，常被用作电磁干扰、电磁兼容、缩距测试场及其它测试实验用天线。在实际的应用中，为了增强天线的方向性，以及获得更高的发射功率，大都是采用将对数周期天线进行组阵的方法。首先，阵列天线在空间上可以实现方向上的电扫描能力，并使用多波束技术，从而实现真正的多目标干扰能力；其次使用阵列天线，在最优激励下实现空间功率合成，从而解决单个功放输出功率的限制。

对于车载对数周期天线而言，除受到安装精度影响外，还受到自身的重力载荷、车载环境中的振动、随机风荷的作用。这些因素导致的变形会使集合线长度和振子单元位置及自身形状发生变化，从而使得各振子单元的电流分布改变，影响天线远场方向图，降低天线的增益，破坏对数周期天线的非频变特性。因此，有必要根据电性能的变化情况提出对天线结构设计的要求。也就是说，LPDA结构设计与电磁设计之间存在着紧密的相互影响、相互制约的关系，属于多场耦合问题，称之为机电耦合问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有对数周期偶极天线分析技术中往往忽视机械位移场和电磁场之间的耦合关系，而单独考虑其一个方面的影响，导致LPDA结构和热设计中机电分离。为此，本发明提出了一种基于机电耦合模型的变形对数周期天线电性能预测方法，以实现对数周期天线机电两场耦合的电性能预测，用以指导其结构设计。

实现本发明目的的技术方案是，提供一种基于机电耦合模型的变形对数周期天线电性能预测方法，基于有限元分析得到对数周期天线在自重及随机风等环境载荷作用下引起的结构位移，从而确定各振子单元的位置及自身变形，利用网络理论得到各振子单元激励电流的幅度和相位，再对各单元的辐射远场应用叠加定理，最终得到基于机电耦合分析后的天线电性能。

该方法包括下述步骤：

（1）根据对数周期天线的结构参数，确定其结构有限元模型，得到每个振子单元各节点的理论坐标(x,y,0)；

（2）利用对数周期天线的有限元模型，确定其约束条件和边界条件，根据重力、风荷两种环境载荷，确定该天线的全部等效载荷，得到包括每个振子单元各节点的位置偏移量(Δx,Δy,Δz)在内的结构位移场；

（3）由振子单元各节点的理论坐标(x,y,0)加上振子单元各节点的位置偏移量(Δx,Δy,Δz)得到变形后的位置坐标(x′,y′,z′)；

（4）根据振子单元中心节点的位置，计算各段集合线的长度，根据网络理论计算出各振子单元中心馈电点的电流分布；

（5）根据振子单元的位置及转角，确定辐射单元位置变化在远区目标处导致的空间相位误差

；

（6）利用振子单元的单元方向图和其电流分布以及辐射场的相位分布，加上辐射单元的排列形式，计算对数周期天线远场方向图、波束指向和3dB波束宽度这些电性能参数；

（7）根据对数周期天线的电性能指标要求，判断计算出的天线电性能参数是否满足要求，如果满足要求则天线结构设计合格；否则，修改结构设计参数，并重复步骤（1）至步骤（6），直至满足要求。

本发明进一步的特征在于：

所述步骤（5）确定辐射单元的相位差，按如下过程进行：

（5a）设定目标相对于坐标系O-xyz所在的方向(θ,φ)以方向余弦表示为(cosα_x,cosα_y,cosα_z)，并根据目标与坐标系的空间几何关系，得到目标相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系为：

cosα_x=sinθcosφ,cosα_y=sinθsinφ,cosα_z=cosθ；

式中，各个参数分别为目标相对于坐标系O-xyz所在的方向(θ,φ)的方向余弦；

（5b）根据步骤（3）中得出的振子单元中心节点的变形后的位置坐标(x′,y′,z′)，得出该点距原点的距离 $a=\sqrt{x^{\′2}+y^{\′2}+z^{\′2}};$

（5c）根据振子单元上下两节点的位置(x′_i1,y′_i1,z′_i1)和(x′_i2,y′_i2,z′_i2)确定振子的偏转角，

对X轴上方单元：

对X轴下方单元：

（5d）由几何关系得出，振子单元中心节点与原点的连线应和X轴的方位夹角

与振子自身转角

相等；

（5e）由以上各子步计算辐射单元位置变化在远区目标处空间相位差即对于水平极化扇形对数周期天线阵列，其每个辐射单元对于第(0,0)单元的相位差为：

所述步骤（6），按如下过程进行：

（6a）确定辐射单元的单元方向图函数E_i(θ,φ)，设振子单元长度为2l_i，则其单元方向图函数为：

（6b）扇形阵列各阵元在短端等幅同向激励，激励源为电流源；

（6c）根据电磁场的叠加原理，将有对数周期天线的辐射电场表示为：

E=E₁+E₂+...+E_N

式（6a）中，E_i表示第i个单元的辐射电场方向图函数；式（6c）中，E_N表示第N个单元的辐射电场方向图函数，N表示所有单元的个数；

（6d）在不考虑天线单元间的互耦的条件下，得出天线阵方向图函数为：

并从方向图中确定对数周期天线的波束指向、3dB宽度两个电性能参数；

（6f）依据对数周期天线远区电场分布，计算天线增益为：

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.利用LPDA结构有限元模型进行有限元分析，确定由自重及随机风等外部环境载荷导致的结构变形，可准确分析载荷对LPDA结构的影响；

2.由于将振子单元位置偏移及偏转引入到天线的相位误差中，使得LPDA结构位移场与电磁场紧密联系，可实现对数周期天线的结构和电磁两场耦合分析；

3．通过将耦合分析的电性能参数与工作指标要求对比，可以判断LPDA结构方案的合理性及其对电性能的影响，避免了凭经验进行LPDA设计，可以缩短LPDA研制周期，降低其研制成本。

附图说明

图1是本发明对数周期天线机电耦合分析流程图；

图2是本发明振子单元电流分布计算流程图；

图3是本发明辐射单元相位差计算流程图；

图4是本发明对数周期天线电性能参数计算流程图；

图5是目标与坐标系的空间几何关系的示意图；

图6是本发明仿真所用的水平极化扇形对数周期天线阵列结构示意图；

图7是本发明仿真所用的4元水平极化扇形对数周期天线阵列天线有限元模型图；

图8是本发明仿真结果的对数周期天线阵列俯仰角为90度的方向图；

图9是本发明仿真结果的对数周期天线阵列方位角为0度的方向图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明的具体步骤如下：

步骤一，建立LPDA结构模型

由LPDA的辐射单元类型、尺寸、排列形式这些结构参数，确定LPDA结构有限元模型，如图7所示。由该有限元模型得到阵面上每个辐射单元的理论坐标(x,y,0)。

步骤二，确定LPDA每个辐射单元的位置偏移量(Δx,Δy,Δz)

首先，确定LPDA的约束条件和边界条件，包括LPDA的馈电槽结构约束，载荷施加位置与方向；

其次，针对载荷的类型进行不同的处理，例如对于风荷与自重，根据结构与外界的约束性质，建立合适的边界条件，组成结构的整体刚度阵；

最后，利用Ansys软件进行结构位移场求解，得到包括阵面辐射单元的位置偏移量(Δx,Δy,Δz)在内的LPDA结构位移场。

步骤三，把辐射单元的理论坐标(x,y,0)与辐射单元的位置偏移量(Δx,Δy,Δz)相加得到偏移后的变形坐标(x′,y′,z′)。

步骤四，计算各振子单元馈电点的输入电流分布

如图2所示，根据电路理论，把对数周期偶记天线看作两部分的并联：

根据电路理论，对数周期偶极天线可以看作两部分的并联：天线阵部分和馈电部分，分别把这两部分看作N端口无源网络，根据此理论求得天线网络的互阻抗矩阵和集合线的导纳矩阵然后计算出各振子的输入电流。

步骤五，计算辐射单元的相位差

参照图3，LPDA辐射单元的相位差分析过程如下：

（5a）设定目标相对于坐标系O-xyz所在的方向(θ,φ)以方向余弦表示为(cosα_x,cosα_y,cosα_z)，并根据目标与坐标系的空间几何关系，得到目标相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系为：

cosα_x=sinθcosφ,cosα_y=sinθsinφ,cosα_z=cosθ；

式中，各个参数含义如图5所示，分别为目标相对于坐标系O-xyz所在的方向(θ,φ)的方向正弦和方向余弦。

（5b）根据步骤三中得出的振子单元中心节点的变形坐标(x′,y′,z′)，得出该点距原点的距离 $a=\sqrt{x^{\′2}+y^{\′2}+z^{\′2}}$ 。

（5c）根据振子单元上下两节点的位置(x′_i1,y′_i1,z′_i1)和(x′_i2,y′_i2,z′_i2)确定振子的偏转角，

对X轴上方单元：

对X轴下方单元：

（5d）由几何关系得出，振子单元中心节点与原点的连线应和X轴的方位夹角

与振子自身转角相等。

（5e）由以上各子步计算辐射单元位置变化在远区目标处空间相位差

即对于水平极化扇形对数周期天线阵列，其每个辐射单元对于第(0,0)单元的相位差为：

步骤六，计算LPDA电性能参数

参照图4，LPDA电性能参数的计算过程如下：

（6a）确定辐射单元的单元方向图函数E_i(θ,φ)，设振子单元长度为2l_i，则其单元方向图函数为：

（6b）扇形阵列各阵元在短端等幅同向激励，激励源为电流源。

（6c）根据电磁场的叠加原理，将有对数周期天线的辐射电场表示为：

E=E₁+E₂+...+E_N

式中，E_i表示第i个单元的辐射电场方向图函数，N表示所有单元的个数。

（6d）在不考虑天线单元间的互耦的条件下，得出天线阵方向图函数为：

并从方向图中确定对数周期天线的波束指向、3dB宽度两个电性能参数。

（6f）依据对数周期天线远区电场分布，计算天线增益为：

步骤七，根据LPDA的电性能指标要求，判断计算出的天线电性能参数是否满足要求，如果满足要求则天线结构设计合格；否则，修改结构设计参数，并重复步骤一至步骤六，直至满足要求。

本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：

1.仿真条件

将本发明的基于机电耦合模型的变形对数周期天线电性能预测方法编为“对数周期天线机电耦合分析软件”，在一水平极化扇形LPDA阵列上进行结构与电磁耦合分析实验。

该水平极化扇形LPDA阵列结构示意图如图6所示，其工作频率为300MHz。天线共有4个LPDA阵元组成，每个LPDA阵元又由18个振子单元组成。对该对数周期天线施加约束条件：在4个LPDA单元的把柄与馈电槽的接触节点处施加三自由度约束。天线振子单元与主干及馈电槽的材料均为钢材。

2.仿真结果

利用以上条件仿真所建立的LPDA结构有限元模型，如图7所示。对LPDA施加自重及风荷，得到振子单元变形位移，并将其应用到远场方向图的计算公式当中，得到天线在θ=90°和φ=0°平面的LPDA方向图如图8、图9所示，其增益与增益损失情况如表1所示。

表1、理想与变形情况下的LPDA的增益与增益损失

通过该软件的实验结果，证明采用本发明的方法可用于进行对数周期天线的结构设计及电性能耦合分析与评价。

Claims (3)

1.一种基于机电耦合模型的变形对数周期天线电性能预测方法，其特征在于包括如下过程：

（1）根据对数周期天线的结构参数，确定其结构有限元模型，得到每个振子单元各节点的理论坐标(x,y,0)；

（2）利用对数周期天线的有限元模型，确定其约束条件和边界条件，根据重力、风荷两种环境载荷，确定该天线的全部等效载荷，得到包括每个振子单元各节点的位置偏移量(Δx,Δy,Δz)在内的结构位移场；

（3）由振子单元各节点的理论坐标(x,y,0)加上振子单元各节点的位置偏移量(Δx,Δy,Δz)，得到变形后的位置坐标(x′,y′,z′)；

（4）根据振子单元中心节点的位置，计算各段集合线的长度，根据网络理论计算出各振子单元中心馈电点的电流分布；

（5）根据振子单元的位置及转角，确定辐射单元位置变化在远区目标处导致的空间相位误差

（6）利用振子单元的单元方向图和其电流分布以及辐射场的相位分布，加上辐射单元的排列形式，计算对数周期天线远场方向图、波束指向和3dB波束宽度电性能参数；

（7）根据对数周期天线的电性能指标要求，判断计算出的天线电性能参数是否满足要求，如果满足要求则天线结构设计合格；否则，修改结构设计参数，并重复步骤（1）至步骤（6），直至满足要求。

2.根据权利要求1所述的基于机电耦合模型的变形对数周期天线电性能预测方法，其特征在于所述步骤（5）确定辐射单元的相位差，按如下过程进行：

（5a）设定目标相对于坐标系O-xyz所在的方向(θ，φ)以方向余弦表示为(cosα_x,cosα_y,cosα_z)，并根据目标与坐标系的空间几何关系，得到目标相对于坐标轴的夹角与方向余弦的关系为：

cosα_x=sinθcosφ，cosα_y=sinθsinφ，cosα_z=cosθ；

式中，各个参数含义分别为目标相对于坐标系O-xyz所在的方向(θ，φ)的方向余弦；

（5b）根据步骤（3）中得出的振子单元中心节点的变形后的位置坐标(x′,y′,z′)，得出该点距原点的距离 $a=\sqrt{x^{\′2}+y^{\′2}+z^{\′2}};$

（5c）根据振子单元上下两节点的位置(x′_i1,y′_i1,z′_i1)和(x′_i2,y′_i2,z′_i2)确定振子的偏转角，

对X轴上方单元：

对X轴下方单元：

（5d）由几何关系得出，振子单元中心节点与原点的连线应和X轴的方位夹角

与振子自身转角

相等；

（5e）由以上各子步计算辐射单元位置变化在远区目标处空间相位差即对于水平极化扇形对数周期天线阵列，其每个辐射单元对于第(0,0)单元的相位差为：

3.根据权利要求2所述的基于机电耦合模型的变形对数周期天线电性能预测方法，其特征在于所述步骤（6），按如下过程进行：

（6a）确定辐射单元的单元方向图函数E_i(θ，φ)，设振子单元长度为2l_i，则其单元方向图函数为：

（6b）扇形阵列各阵元在短端等幅同向激励，激励源为电流源；

（6c）根据电磁场的叠加原理，将有对数周期天线的辐射电场表示为：

E=E₁+E₂+…+E_N

式（6a）中，E_i表示第i个单元的辐射电场方向图函数；式（6c）中，E_N表示第N个单元的辐射电场方向图函数，N表示所有单元的个数；

（6d）在不考虑天线单元间的互耦的条件下，得出天线阵方向图函数为：

并从方向图中确定对数周期天线的波束指向、3dB宽度两个电性能参数；

（6f）依据对数周期天线远区电场分布，计算天线增益为：

Images