CN105742817B - 面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法 - Google Patents
面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105742817B CN105742817B CN201610188297.8A CN201610188297A CN105742817B CN 105742817 B CN105742817 B CN 105742817B CN 201610188297 A CN201610188297 A CN 201610188297A CN 105742817 B CN105742817 B CN 105742817B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- antenna
- mrow
- msub
- phase
- active phase
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
- H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
- H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
Abstract
本发明公开了一种面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，包括确定天线的结构参数、材料属性和电磁参数，确定天线环境热载荷，计算太阳照射下天线温度场分布，确定T/R组件热功耗，计算T/R组件热功耗下天线温度场分布，叠加温度场，计算天线结构热变形，提取阵元几何中心的位置偏移量，计算阵元空间相位的附加误差，确定阵元激励电流的幅度和相位分布，计算天线电性能，判断增益和指向是否同时满足要求，计算天线理想主波束指向的单位矢量、阵元空间相位的调整量、补偿后阵元激励电流相位值。本发明结合相位调整法，实现了对变形星载有源相控阵天线的电性能补偿。解决由结构热变形导致的天线电性能恶化问题，确保天线能够正常工作。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法。
背景技术
随着星载天线的飞跃式发展，对天线多功能、多波段、远距离、高功率等性能要求越来越高。由于对卫星通信数据传输容量的要求越来越大，原来采用的小口径低增益天线已无法满足应用的要求。而采用星载有源相控阵天线是解决上述难题的途径之一，它作为空间通信、电子侦察、导航、环境监测等卫星系统的“眼睛”和“耳朵”，利用有源相控阵体制实现独立控制多个点波束，不仅克服了星载反射面天线机械扫描时惯性大、速度慢、可靠性相对较低等问题，同时具有更多的设计自由度，如线阵、平面阵、共形阵等，能很好地实现高增益、窄波瓣、空间扫描、空间多目标跟踪、空分多址和自主控制等功能，广泛用于通信、空中交通管制、医疗、矿产资源探测、反恐缉毒等许多方面，被广泛用于星载有源相控阵天线中。
星载有源相控阵天线系统在轨服役阶段，温度环境极其恶劣，一方面，在太阳照射下温度可以达到160℃；另一方面，在T/R组件热功耗作用下产生的热量无法散出来，导致星载有源相控阵天线易发生结构热变形。结构热变形引起有源相控阵天线单元形状改变、位置偏移和指向发生偏转，严重影响天线的电性能。卫星一旦发射上天很难再进行修补，为此，根据星载有源相控阵天线热变形情况快速预测电性能的变化，从而指导星载有源相控阵天线的热设计、结构设计，减少研制成本，缩短研制周期。
为降低结构热变形对星载有源相控阵天线电性能的影响，确保雷达系统能够正常工作，需对天线电性能进行补偿。常用的补偿方法有两种：一种是机械补偿方法，通过提高天线结构的刚强度或增加主动调节装置，降低由外部载荷引起的结构变形，但这会使得天线系统的重量增加、结构复杂度提高；如在Morris D,Bremer M,Butin G,et al.Surfaceadjustment of the IRAM 30m radio telescope[J].IET Microwave,Antennas andPropagation,2009,3(1):99-108中即通过反复调整天线的面板结构，来降低环境载荷造成的天线结构误差从而保证天线电性能，然而调整过程耗时且调整效率低。
另一种是电子补偿方法，又称有源补偿，通过调整辐射单元上的激励电流实现对天线电性能的补偿，有源补偿方法可在不增加结构重量及复杂度的情况下，有效降低结构变形对天线电性能的影响。然而，在有源补偿方法中，国内外很多工作仅从单一电性能方面来考虑实施补偿作用，如在Son S H,Eom S Y,Jeon S I,et al.Automatic phasedcorrection of phased array antennas by a genetic algorithm[J].Antennas andPropagation,2008,56(8):2751-2754中仅考虑对包含相位误差的天线电性能，如何通过遗传算法来补偿该误差相位，并没有将误差的来源如结构变形直接引入到补偿分析过程中；此外，也有研究工作采用有源补偿方法来补偿结构误差导致的天线电性能变化，如在Svensson B,Lanne M,Wingard J,et al.Element position error compensation inactive phased array antennas[C]//2010Proceedings of the Fourth EuropeanConference on Antennas and Propagation.2010中即对天线的单元位置误差进行了补偿，然而，该天线单元的位置误差仅是假设其服从高斯分布，而并没有根据结构有限元分析来研究实际工况下天线的结构误差对其电性能的影响。
因此，在天线的实际工作环境下，建立结构热变形与天线电性能之间的联系，结合相位调整法，提供一种有效解决实际工况下天线结构热变形对其电性能的影响，实现对变形星载有源相控阵天线电性能的有源补偿，确保在服役环境下星载有源相控阵天线能正常工作。
发明内容
针对上述问题，本发明基于星载有源相控阵天线机电耦合模型，结合相位调整法，实现了对变形星载有源相控阵天线的电性能补偿，可用于解决由环境热载荷和器件热功耗引起的结构热变形导致的天线电性能恶化问题，从而确保服役环境下天线能够正常工作。
实现本发明目的的技术解决方案是，面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，该方法包括下述步骤：
(1)根据星载有源相控阵天线的基本结构，确定天线的结构参数、材料属性和电磁工作参数；
(2)根据星载有源相控阵天线的工作环境，确定天线热载荷；
(3)根据星载有源相控阵天线结构参数、材料属性和热载荷，利用热分析软件，计算太阳照射下的天线温度场分布；
(4)根据星载有源相控阵天线工作环境，确定T/R组件的热功耗；
(5)根据星载有源相控阵天线结构参数、材料属性和T/R组件的热功耗，利用热分析软件，计算T/R组件热功耗作用下的天线温度场分布；
(6)将太阳照射下的天线温度场和T/R组件热功耗作用下天线温度场进行叠加，将叠加后的温度作为载荷计算星载有源相控阵天线的结构热变形；
(7)根据星载有源相控阵天线的结构热变形，提取天线阵元几何中心节点的位置偏移量；
(8)根据星载有源相控阵天线阵元的位置偏移量，计算阵元空间相位的附加误差；
(9)采用泰勒加权，确定星载有源相控阵天线各阵元的激励电流的幅度和相位分布；
(10)利用星载有源相控阵天线的排布形式、空间相位的附加误差、阵元激励电流的幅度和相位分布，基于机电耦合模型，计算天线的电性能；
(11)判断天线增益和指向是否满足要求，若不满足要求，转到步骤(12)，若满足要求，转到步骤(15)；
(12)计算星载有源相控阵天线理想主波束指向的单位矢量；
(13)根据理想主波束指向的单位矢量，利用阵元空间相位的附加误差，计算阵元空间相位的调整量；
(14)根据阵元激励电流初始相位，利用阵元空间相位的调整量，计算补偿后阵元激励电流相位值，转到步骤(10)；
(15)得到补偿天线结构热变形的激励电流相位最佳调整量。
所述步骤(1)中星载有源相控阵天线的结构参数，包括天线中单元的行数M、列数N及单元间距dx和dy、印制板、纸蜂窝、铝蜂窝上面板、铝蜂窝、铝蜂窝下面板及T/R组件的几何参数；所述星载有源相控阵天线的材料属性包括弹性模量、泊松比、剪切模量、密度、导热系数和热膨胀系数；所述星载有源相控阵天线的电磁参数，包括天线的单元形式和中心工作频率f。
所述步骤(3)计算太阳照射下的天线温度场分布按照以下步骤进行：
(3a)根据星载有源相控阵天线结构参数、材料属性和热载荷，在ANSYS软件中建立天线热模型；
(3b)确定边界条件，并施加天线环境热载荷，计算太阳照射下的天线温度场分布。
所述步骤(6)中，将太阳照射下的天线温度场分布和T/R组件热功耗作用下的天线温度场分布进行叠加，并将节点温度作为载荷施加于天线的有限元模型，施加结构约束，计算星载有源相控阵天线在环境载荷和T/R组件热功耗共同作用下的结构热变形。
所述步骤(7)中，根据星载有源相控阵天线的结构热变形提取第(m,n)个阵元几何中心在x，y，z方向的位置偏移量Δxmn、Δymn、Δzmn；其中，x方向和y方向在星载有源相控阵天线的安装平面内是正交的，z方向为安装平面的法线方向。
所述步骤(8)计算阵元空间相位的附加误差按照以下步骤进行：
(8a)根据星载有源相控阵天线的排列形式，确定相位参考点O，建立坐标系O-xyz；
(8b)计算星载有源相控阵天线相位参考点O到远区观察点P(θ,φ)的单位矢量为具体表达式如下：
式中，γx、γy、γz分别为观察点P(θ,φ)与坐标轴x、y、z方向的夹角，θ表示俯仰角，φ表示方位角；
(8c)根据步骤(7)所得天线阵元几何中心的位置偏移量Δxmn、Δymn、Δzmn，以及步骤(8b)中相位参考点O到远区观察点P(θ,φ)的单位矢量计算第(m,n)个阵元空间相位的附加误差Δψmn(θ,φ)，公式如下：
式中，为变形天线的相位参考点O′到第(m,n)个阵元几何中心的矢量；Δx00、Δy00、Δz00分别表示相位参考点O处第(0,0)个阵元在x、y、z方向的位置偏移量；为波常数。
所述步骤(9)中，采用泰勒加权，确定星载有源相控阵天线阵元激励电流的幅度(Imn)和相位分布。
所述步骤(10)基于机电耦合模型，计算天线电性能按照以下步骤进行：
(10a)利用星载有源相控阵天线的排布形式、阵元空间相位的附加误差、阵元激励电流的幅度Imn和相位分布，基于机电耦合模型，计算天线的电场分布Ed(θ,φ)，公式如下：
式中，Ee为单元方向图函数，j为虚数单位；
(10b)根据天线电场分布，得到天线的增益G及波束指向D。
所述步骤(12)中，计算星载有源相控阵天线理想主波束指向(θmax,φmax)的单位矢量的单位矢量公式如下：
所述步骤(13)中，根据理想主波束指向的单位矢量利用步骤(8c)所得的阵元空间相位的附加误差Δψmn(θ,φ)，计算阵元空间相位的调整量Δψc mn，公式如下：
所述步骤(14)中根据阵元激励电流初始相位，利用空间相位的调整量，计算补偿后阵元激励电流相位值按照以下步骤进行：
(14a)根据阵元激励电流初始相位利用空间相位的调整量Δψc mn，将Δψc mn引入到阵元激励电流初始相位分布中，得补偿后的电场分布Ec(θ,φ)，公式如下：
(14b)计算补偿后阵元激励电流相位值，得补偿结构热变形的阵元激励电流相位公式如下：
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1.本发明可同时研究星载有源相控阵天线在太空热载荷环境下和器件热功耗作用下所产生的结构热变形对天线电性能的影响，解决了传统计算方法中单一热因素对星载有源相控阵天线电性能的影响。
2.通过调整激励电流的相位，来补偿太空热载荷环境下和器件热功耗作用下结构热变形对天线电性能的影响，其仅需得到结构变形位置偏移量，即可通过星载有源相控阵天线机电耦合模型得到对应的激励电流相位补偿量，相对于传统机械补偿方法，使用本发明中的补偿方法可在不增加天线结构复杂度和重量的前提下，有效实现对天线电性能的补偿。
附图说明
图1是本发明面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法的流程图；
图2是星载有源相控阵天线的结构示意图；
图3是星载有源相控阵天线的有限元模型；
图4是星载有源相控阵天线太阳照射下温度场分布云图；
图5是星载有源相控阵天线T/R组件热功耗作用下温度场分布云图；
图6是星载有源相控阵天线的热变形分布云图；
图7是目标空间几何关系示意图；
图8是φ＝0°时，星载有源相控阵天线理想、变形后和补偿后的增益方向图；
图9是φ＝90°时，星载有源相控阵天线理想、变形后和补偿后的增益方向图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明
参照图1，本发明为面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，具体步骤如下：
步骤1，确定星载有源相控阵天线的结构参数、材料属性和电磁参数。
如图2所示，星载有源相控阵天线的结构参数包括天线中单元的行数M、列数N及单元间距dx和dy，印制板2、纸蜂窝3、铝蜂窝上面板4、铝蜂窝5、铝蜂窝下面板6及T/R组件的几何参数；微带贴片天线1折在印制板2上，热源7设在铝蜂窝下面板6下方；星载有源相控阵天线的材料属性包括弹性模量、泊松比、剪切模量、密度、导热系数和热膨胀系数；星载有源相控阵天线的电磁参数，包括天线的单元形式和中心工作频率f。
步骤2，确定星载有源相控阵天线环境温度。
步骤3，计算太阳照射下的天线温度场分布。
确定边界条件，并施加星载有源相控阵天线环境热载荷，在ANSYS中进行温度场分析，计算太阳照射下的天线温度场分布。
步骤4，确定T/R组件的热功耗。
步骤5，计算T/R组件热功耗作用下的天线温度场分布。
确定边界条件，并施加星载有源相控阵天线的T/R组件的热功耗，在ANSYS中进行温度场分析，计算T/R组件的热功耗作用下温度场分布。
步骤6，叠加温度场，计算天线结构热变形。
(6a)将太阳照射下的天线温度场分布和T/R组件热功耗作用下的天线温度场分布进行叠加，并将节点温度作为载荷施加于天线的有限元模型；
(6b)施加结构约束，计算星载有源相控阵天线在环境载荷和T/R组件热功耗共同作用下的结构热变形。
步骤7，提取阵元几何中心的位置偏移量。
星载有源相控阵天线共有M×N个天线单元，M和N分别为天线安装平面内x方向和与x方向正交的y方向的天线单元个数，阵元间距为dx×dy。根据天线阵元几何中心提取第(m,n)(0≤m≤M-1，0≤n≤N-1)个阵元在x，y，z方向的位移(Δxmn,Δymn,Δzmn)。
步骤8，计算阵元空间相位的附加误差。
(8a)根据星载有源相控阵天线的排列形式，确定相位参考点O，建立坐标系O-xyz；
(8b)计算星载有源相控阵天线相位参考点O到远区观察点P)θ,φ)的单位矢量为具体表达式如下：
式中，γx、γy、γz分别为观察点P(θ,φ)与坐标轴x、y、z方向的夹角，θ表示俯仰角，φ表示方位角；
(8c)根据步骤(7)所得天线阵元几何中心的位置偏移量Δxmn、Δymn、Δzmn，以及步骤(8b)中相位参考点O到远区观察点P(θ,φ)的单位矢量计算第(m,n)个阵元空间相位的附加误差Δψmn(θ,φ)，公式如下：
式中，为变形天线的相位参考点O′到第(m,n)个阵元几何中心的矢量；Δx00、Δy00、Δz00分别表示相位参考点O处第(0,0)个阵元在x、y、z方向的位置偏移量；为波常数。
步骤9，确定阵元激励电流的幅度和相位分布。
采用泰勒加权，确定星载有源相控阵天线阵元激励电流的幅度(Imn)和相位分布。
步骤10，基于机电耦合模型，计算天线电性能。
(10a)利用星载有源相控阵天线的排布形式、阵元空间相位的附加误差、阵元激励电流的幅度和相位分布，基于机电耦合模型，计算天线的电场分布Ed(θ,φ)，公式如下：
式中，Ee为单元方向图函数，为波常数，j为虚数单位。
(10b)根据天线电场分布，得到天线的增益G及波束指向D。
步骤11，判断天线增益和指向是否满足要求。
根据星载有源相控阵天线的电性能指标要求，判断天线增益和指向是否满足要求，若不满足要求，转到步骤12，若满足要求，转到步骤15。
步骤12，计算星载有源相控阵天线理想主波束指向的单位矢量。
计算星载有源相控阵天线理想主波束指向(θmax,φmax)的单位矢量的单位矢量公式如下：
步骤13，计算阵元空间相位的调整量。
根据理想主波束指向的单位矢量利用步骤(8c)所得的阵元空间相位的附加误差Δψmn(θ,φ)，计算阵元空间相位的调整量Δψc mn，公式如下：
步骤14，计算补偿后阵元激励电流相位值。
(14a)根据阵元激励电流初始相位利用空间相位的调整量Δψc mn，将Δψc mn引入到阵元激励电流初始相位分布中，得补偿后的电场分布Ec(θ,φ)，公式如下：
(14b)计算补偿后阵元激励电流相位值，得补偿结构热变形的阵元激励电流相位公式如下：
本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：
一、确定星载有源相控阵天线的结构参数、热参数和电磁参数
本实例以工作频率为3.1GHZ的微带贴片天线，x方向阵元数M＝5，y方向阵元数N＝5，排列间距为dx×dy＝50mm×50mm组成的星载有源相控阵天线为对象。其结构参数、材料属性如表1和表2所示，太阳照射下的环境温度100℃，T/R组件的热功耗Q＝15W。
表1星载有源相控阵天线的结构参数
表2星载有源相控阵天线的材料属性
二、计算补偿后激励电流相位值
1.计算天线温度场分布
研究对象为微带贴片天线，结构规则，在阵元几何中心处建立硬点，根据星载有源相控阵天线的结构参数、材料属性，在ANSYS中采用SOLID278和SHELL131建立天线、印制板、纸蜂窝、铝蜂窝上面板、铝蜂窝、铝蜂窝下面板及T/R组件的热模型，如图3所示，分别计算天线在太阳照射下的温度场分布和T/R组件热功耗作用下的温度场分布，如图4所示和图5所示。
2.计算天线阵面热变形
转换热单元类型SOLID278和SHELL131分别为结构单元SOLID185和SHELL181，将太阳照射下的天线温度场分布和T/R组件热功耗作用下的天线温度场分布进行叠加，并将节点温度作为载荷施加于天线的有限元模型，施加结构约束，得到天线阵面热变形，如图6所示。
3.计算变形天线的增益和指向(提取阵元几何中心节点位移)
3.1根据天线阵面热变形提取第(m,n)(0≤m≤4，0≤n≤4)个阵元在x，y，z方向的位移(Δxmn,Δymn,Δzmn)，确定相位参考点O，观察点的空间几何关系示意图如图7所示。
3.2计算星载有源相控阵天线相位参考点O到远区观察点P(θ,φ)的单位矢量为具体表达式如下：
3.3根据天线阵元几何中心的位置偏移量Δxmn、Δymn、Δzmn，以及相位参考点O到远区观察点P(θ,φ)的单位矢量计算第(m,n)个阵元空间相位的附加误差Δψmn(θ,φ)，公式如下：
式中，为变形天线的相位参考点O′到第(m,n)个阵元几何中心的矢量；Δx00、Δy00、Δz00分别表示相位参考点O处第(0,0)个阵元在x、y、z方向的位置偏移量。
3.4基于机电耦合模型，计算天线的电场分布，公式如下：
式中，θ，φ分别为观察点处的俯仰角和方位角，Imn、分别为第(m,n)个阵元激励电流的幅度和相位，k＝2π/λ为自由空间波常数。
3.5根据天线电场分布，得到天线的增益G及波束指向D。
4.计算星载有源相控阵天线理想主波束指向的单位矢量
星载有源相控阵天线理想主波束指向(θmax,φmax)的单位矢量公式如下：
5计算阵元空间相位的调整量
根据理想主波束指向的单位矢量利用阵元空间相位的附加误差Δψmn(θ,φ)，计算阵元空间相位的调整量Δψc mn，公式如下：
6.得到补偿天线结构热变形的激励电流相位最佳调整量
根据阵元激励电流初始相位利用空间相位的调整量Δψc mn，将Δψc mn引入到阵元激励电流初始相位分布中，得到补偿结构热变形的阵元激励电流相位公式如下：
将该补偿后激励电流相位值带入变形星载有源相控阵天线的方向图函数中，绘制理想、变形后和补偿后的星载有源相控阵天线方向图，如图8和图9所示，计算补偿后的天线电性能，得到增益、波束指向等电性能参数。
三、仿真结果分析
由上述可知，星载有源相控阵天线的结构热变形会引起天线增益下降、波束指向偏差，导致天线性能恶化。将得到补偿天线结构热变形的激励电流相位值，带入星载有源相控阵天线的方向图函数中，得到补偿后的星载有源相控阵天线方向图函数，将理想情况天线方向图、变形后天线方向图和补偿后的天线方向图绘制在同一坐标系中，如图8和图9所示。由图8和图9可以看出，补偿后的天线方向图函数和理想情况下天线方向图函数十分接近，补偿效果较好。表3分别给出了理想情况、变形后以及补偿后三种不同状态下星载有源相控阵天线的电性能参数，包括增益和波束指向。
表3理想、变形后和补偿后星载有源相控阵天线电性能参数
由表3中的数据可以看出，星载有源相控阵天线受到结构热变形时，引起天线增益下降、波束指向偏差，采用本发明所述的补偿方法对天线电性能进行补偿，补偿后天线的增益在主波束指向完全补偿，补偿效果较好，波束指向偏差由1°变成0°，波束指向性更准。本实例中可见，采用面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，对天线电性能的补偿效果很好，补偿后的天线电性能满足指标要求，故可将该方法应用到天线电性能的实际服役工作中。
Claims (9)
1.面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)根据星载有源相控阵天线的基本结构，确定天线的结构参数、材料属性和电磁工作参数；
所述星载有源相控阵天线的结构参数，包括天线中单元的行数M、列数N及单元间距dx和dy、印制板、纸蜂窝、铝蜂窝上面板、铝蜂窝、铝蜂窝下面板及T/R组件的几何参数；所述星载有源相控阵天线的材料属性包括弹性模量、泊松比、剪切模量、密度、导热系数和热膨胀系数；所述星载有源相控阵天线的电磁参数包括天线的单元形式和中心工作频率f；
(2)根据星载有源相控阵天线的工作环境，确定天线热载荷；
(3)根据星载有源相控阵天线结构参数、材料属性和热载荷，利用热分析软件，计算太阳照射下的天线温度场分布；
(4)根据星载有源相控阵天线工作环境，确定T/R组件的热功耗；
(5)根据星载有源相控阵天线结构参数、材料属性和T/R组件的热功耗，利用热分析软件，计算T/R组件热功耗作用下的天线温度场分布；
(6)将太阳照射下的天线温度场和T/R组件热功耗作用下天线温度场进行叠加，将叠加后的温度作为载荷计算星载有源相控阵天线的结构热变形；
(7)根据星载有源相控阵天线的结构热变形，提取天线阵元几何中心节点的位置偏移量；
(8)根据星载有源相控阵天线阵元的位置偏移量，计算阵元空间相位的附加误差；
(9)采用泰勒加权，确定星载有源相控阵天线各阵元的激励电流的幅度和相位分布；
(10)利用星载有源相控阵天线的排布形式、空间相位的附加误差、阵元激励电流的幅度和相位分布，基于机电耦合模型，计算天线的电性能；
(11)判断天线增益和指向是否满足要求，若不满足要求，转到步骤(12)，若满足要求，转到步骤(15)；
(12)计算星载有源相控阵天线理想主波束指向的单位矢量；
(13)根据理想主波束指向的单位矢量，利用阵元空间相位的附加误差，计算阵元空间相位的调整量；
(14)根据阵元激励电流初始相位，利用阵元空间相位的调整量，计算补偿后阵元激励电流相位值，转到步骤(10)；
(15)得到补偿天线结构热变形的激励电流相位最佳调整量。
2.根据权利要求1所述的面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，其特征在于，所述步骤(3)按如下过程进行：
(3a)根据星载有源相控阵天线结构参数、材料属性和热载荷，在ANSYS软件中建立天线热模型；
(3b)确定边界条件，并施加天线环境热载荷，计算太阳照射下的天线温度场分布。
3.根据权利要求1所述的面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，其特征在于，所述步骤(6)中，将太阳照射下的天线温度场分布和T/R组件热功耗作用下的天线温度场分布进行叠加，并将节点温度作为载荷施加于天线的有限元模型，施加结构约束，计算星载有源相控阵天线在环境载荷和T/R组件热功耗共同作用下的结构热变形。
4.根据权利要求1所述的面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，其特征在于，所述步骤(7)中，根据星载有源相控阵天线的结构热变形提取第(m,n)个阵元几何中心在x，y，z方向的位置偏移量Δxmn、Δymn、Δzmn；其中，x方向和y方向在星载有源相控阵天线的安装平面内是正交的，z方向为安装平面的法线方向。
5.根据权利要求1所述的面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，其特征在于，所述步骤(8)按如下过程进行：
(8a)根据星载有源相控阵天线的排列形式，确定相位参考点O，建立坐标系O-xyz；
(8b)计算星载有源相控阵天线相位参考点O到远区观察点P(θ,φ)的单位矢量为具体表达式如下：
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>r</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>cos&gamma;</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
<mo>,</mo>
<msub>
<mi>cos&gamma;</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<mo>,</mo>
<msub>
<mi>cos&gamma;</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&theta;</mi>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&phi;</mi>
<mo>,</mo>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&theta;</mi>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mi>&phi;</mi>
<mo>,</mo>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&theta;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，γx、γy、γz分别为观察点P(θ,φ)与坐标轴x、y、z方向的夹角，θ表示俯仰角，φ表示方位角；
(8c)根据步骤(7)所得天线阵元几何中心的位置偏移量Δxmn、Δymn、Δzmn，以及步骤(8b)中相位参考点O到远区观察点P(θ,φ)的单位矢量计算第(m,n)个阵元空间相位的附加误差Δψmn(θ,φ)，公式如下：
<mfenced open = "" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;&psi;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mrow>
<mi>&theta;</mi>
<mo>,</mo>
<mi>&phi;</mi>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mi>k</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<msub>
<mover>
<mi>r</mi>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mover>
<mi>r</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mo>=</mo>
<mi>k</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mo>&lsqb;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;x</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&Delta;x</mi>
<mn>00</mn>
</msub>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>sin</mi>
<mi>&theta;</mi>
<mi>cos</mi>
<mi>&phi;</mi>
<mo>+</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;y</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&Delta;y</mi>
<mn>00</mn>
</msub>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>sin</mi>
<mi>&theta;</mi>
<mi>sin</mi>
<mi>&phi;</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mo>+</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;z</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&Delta;z</mi>
<mn>00</mn>
</msub>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>cos</mi>
<mi>&theta;</mi>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
式中，为变形天线的相位参考点O′到第(m,n)个阵元几何中心的矢量；Δx00、Δy00、Δz00分别表示相位参考点O处第(0,0)个阵元在x、y、z方向的位置偏移量；为波常数。
6.根据权利要求1所述的面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，其特征在于，所述步骤(10)按如下过程进行：
(10a)利用星载有源相控阵天线的排布形式、阵元空间相位的附加误差、阵元激励电流的幅度Imn和相位分布，基于机电耦合模型，计算天线的电场分布Ed(θ,φ)，公式如下：
式中，Ee为单元方向图函数，j为虚数单位；
(10b)根据天线电场分布，得到天线的增益G及波束指向D。
7.根据权利要求1所述的面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，其特征在于，所述步骤(12)中，计算星载有源相控阵天线理想主波束指向(θmax,φmax)的单位矢量公式如下：
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>r</mi>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mrow>
<mn>0</mn>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>sin&theta;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>cos&phi;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>,</mo>
<msub>
<mi>sin&theta;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>sin&phi;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>,</mo>
<msub>
<mi>cos&theta;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>.</mo>
</mrow>
8.根据权利要求1所述的面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，其特征在于，所述步骤(13)中，根据理想主波束指向的单位矢量利用步骤(8c)所得的阵元空间相位的附加误差Δψmn(θ,φ)，计算阵元空间相位的调整量Δψc mn，公式如下：
Δψc mn＝-Δψmn(θmax,φmax)
＝-jk·[(Δxmn-Δx00)·sinθmaxcosφmax+(Δymn-Δy00)·sinθmaxsinφmax+(Δzmn-Δz00)·cosθmax]。
9.根据权利要求1中所述的面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法，其特征在于，所述步骤(14)按如下过程进行：
(14a)根据阵元激励电流初始相位利用空间相位的调整量Δψc mn，将Δψc mn引入到阵元激励电流初始相位分布中，得补偿后的电场分布Ec(θ,φ)，公式如下：
(14b)计算补偿后阵元激励电流相位值，得补偿结构热变形的阵元激励电流相位公式如下：
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610188297.8A CN105742817B (zh) | 2016-03-29 | 2016-03-29 | 面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610188297.8A CN105742817B (zh) | 2016-03-29 | 2016-03-29 | 面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105742817A CN105742817A (zh) | 2016-07-06 |
| CN105742817B true CN105742817B (zh) | 2018-04-03 |
Family
ID=56253244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610188297.8A Active CN105742817B (zh) | 2016-03-29 | 2016-03-29 | 面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105742817B (zh) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106991211B (zh) * | 2017-03-02 | 2019-10-01 | 西安电子科技大学 | 一种变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法 |
| CN109472059B (zh) * | 2018-10-17 | 2023-06-06 | 西安电子科技大学 | 基于测量应变的相控阵天线幅相补偿方法 |
| CN111641043B (zh) * | 2019-03-01 | 2021-11-16 | Oppo广东移动通信有限公司 | 相位调制方法、天线模组和电子设备 |
| CN111380567A (zh) * | 2020-03-24 | 2020-07-07 | 上海卫星工程研究所 | 一种卫星星敏感器指向在轨热变形修正系统 |
| CN111490354B (zh) * | 2020-04-20 | 2021-09-28 | 西安建筑科技大学 | 一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法 |
| CN111539141B (zh) * | 2020-04-20 | 2023-04-07 | 西安建筑科技大学 | 一种高温烧蚀下有源相控阵天线电性能快速补偿方法 |
| CN111539143B (zh) * | 2020-04-20 | 2023-04-07 | 西安建筑科技大学 | 一种基于应变电磁耦合的有源相控阵天线电性能补偿方法 |
| CN113032976B (zh) * | 2021-03-05 | 2022-09-23 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | 一种基于温度场重构的相控阵天线电性能补偿方法及系统 |
| CN113111561A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-07-13 | 上海航天测控通信研究所 | 一种星载反射面天线在轨指向热补偿方法 |
| CN113297766A (zh) * | 2021-05-26 | 2021-08-24 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种天线单元加工误差补偿方法 |
| CN116470302B (zh) * | 2023-06-20 | 2023-09-05 | 四川省华盾防务科技股份有限公司 | 一种小型相控阵天线模组的控制方法及控制系统 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57107607A (en) * | 1980-12-25 | 1982-07-05 | Toshiba Corp | Array antenna device |
| US6426721B1 (en) * | 2001-03-29 | 2002-07-30 | Communications Research Laboratory | Phase control device and system for phased array antenna |
| CN101141134A (zh) * | 2007-10-19 | 2008-03-12 | 深圳国人通信有限公司 | 一种射频模块性能的软件补偿方法及改进的射频模块 |
| CN101344564A (zh) * | 2008-08-14 | 2009-01-14 | 西安电子科技大学 | 基于机电热三场耦合的有源相控阵天线电性能预测方法 |
-
2016
- 2016-03-29 CN CN201610188297.8A patent/CN105742817B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57107607A (en) * | 1980-12-25 | 1982-07-05 | Toshiba Corp | Array antenna device |
| US6426721B1 (en) * | 2001-03-29 | 2002-07-30 | Communications Research Laboratory | Phase control device and system for phased array antenna |
| CN101141134A (zh) * | 2007-10-19 | 2008-03-12 | 深圳国人通信有限公司 | 一种射频模块性能的软件补偿方法及改进的射频模块 |
| CN101344564A (zh) * | 2008-08-14 | 2009-01-14 | 西安电子科技大学 | 基于机电热三场耦合的有源相控阵天线电性能预测方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 面向结构误差的有源相控阵天线电性能补偿方法;余涛;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20160315;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105742817A (zh) | 2016-07-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105742817B (zh) | 面向增益和指向的星载有源相控阵天线结构热变形补偿方法 | |
| KR102347320B1 (ko) | 컨포멀 안테나를 동작시키기 위한 시스템 및 방법 | |
| CN105680162B (zh) | 轨道角动量多波束产生方法 | |
| CN106021764B (zh) | 面向机电耦合的有源相控阵天线性能仿真置信度的计算方法 | |
| CN105206941B (zh) | 一种基于机电耦合的大型赋形双反射面天线的指向调整方法 | |
| CN107103124B (zh) | 基于机电耦合理论的变形阵列天线远场方向图分析方法 | |
| CN108872942B (zh) | 基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法 | |
| CN106025550B (zh) | 一种以电性能为目标的双反射面天线副面位置调整方法 | |
| CN104779442A (zh) | 一种电控波束扫描反射阵天线及其波束扫描方法 | |
| CN104733850B (zh) | 基于全息调制的人工张量阻抗表面天线及其实现方法 | |
| CN104701637B (zh) | 基于机电耦合与最小二乘法的变形阵列天线电性能补偿方法 | |
| CN105226398A (zh) | 基于蝙蝠算法的星载多波束反射面天线的赋形方法 | |
| CN109659708B (zh) | 一种基于阻性超材料加载的低rcs超宽带相连长槽天线阵 | |
| CN108037692A (zh) | 大规模共形数字相控阵的波束控制方法 | |
| CN107579353A (zh) | 基于超表面的高定向性柱状凸面共形反射面天线 | |
| EP3863117A1 (en) | Reflectarray antenna for enhanced wireless communication coverage area | |
| CN105787160B (zh) | 基于机电耦合的星载有源相控阵天线结构轻量化设计方法 | |
| CN102708257A (zh) | 一种有源相控阵天线结构公差的快速确定方法 | |
| CN110729821B (zh) | 用于多目标无线能量传输的准无衍射波束形成方法 | |
| CN103488818B (zh) | 一种热变形大型双反射面天线的副反射面位置补偿方法 | |
| CN108984880B (zh) | 基于最小二乘法的变形阵列天线电性能快速补偿方法 | |
| CN108459301A (zh) | 一种基于异构阵的mimo雷达波形设计方法 | |
| CN105609961A (zh) | 一种基于梯度超表面的透射双功能器件 | |
| Suárez et al. | Experimental validation of linear aperiodic array for grating lobe suppression | |
| CN104716425A (zh) | 一种天线及fss系统的构建方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |