CN108399274A - 一种共形承载天线的机电综合分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共形承载天线的机电综合分析方法，包括：1、得到共形承载天线的表面测试数据；2、在MATLAB中建立误差信息数学模型；3、在CAD中导入误差信息数学模型，生成三维多边形曲面网格模型；4、通过多边形网格—网格—曲面—实体四步转换得到*.igs格式的误差结构模型；5、建立理想天线电磁分析模型，导入误差结构模型，得到天线电磁分析模型；6、根据天线电磁分析模型计算天线的电性能参数，如满足计算精度要求则完成计算，否则重复步骤1至6直到满足要求。本发明的有益之处在于：(1)有效解决了平板裂缝天线结构分析与电磁分析脱节的问题；(2)缩短了复杂天线整体的建模周期；(3)有效解决了共形承载天线结构网格与电磁网格不匹配问题。

Description

一种共形承载天线的机电综合分析方法

技术领域

本发明涉及一种天线的机电综合分析方法，具体涉及一种基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，属于天线技术领域。

背景技术

共形承载天线是一种与载体平台结构一致的新型天线结构形式，既具有结构承载功能，又具有电磁信号的收发能力。因共形承载天线可实现与载体的高度融合，可满足未来高性能装备的隐身化、多功能化、智能化和高机动性要求，所以其已成为下一代战机和主力战舰的首选天线形式。

共形承载天线因为结构、电磁、散热三部分高度融合的结构形式，同时满足机电热三场性能需求的技术特征以及强振动、大温差的服役环境，使得结构误差影响成为制约其性能提高的瓶颈问题。

在应用现有专业软件的传统分析中，适用的天线模型多为理想模型。而实际工程中结构的变形、多层结构的不一致性等结构因素难以在软件中准备建模、求解；实际天线在生产过程中的制造精度、装配精度等难以在现有软件中精确描述，或难以解决由此产生的大规模数值计算问题；实际的天线在真实工作环境中的动态因素，如风荷、振动、冲击下的结构动态响应，也无法在软件中表现；基于测试数据建立的结构数学模型、用于结构分析的有限元模型，为电磁场分析所建立的电磁模型三者之间具有很大区别，不能直接进行相互应用，上述存在因素使得进行共形承载天线机电综合分析变得非常重要。

天线结构分析与电磁分析的单独进行，不仅会导致大部分分析工作的重复，计算资源的浪费，而且也难以实现系统层面的优化。而在结构和电磁的顺序分析过程中，又存在网格不匹配的问题。结构分析的网格往往不均匀，而电磁分析又需要均匀的网格。现有电磁分析软件HFSS等虽然具有网格自适应的功能，能够对导入模型进行自动网格划分，但是仍然疏密不均。对电小模型而言问题尚不突出，对电大模型则往往因为网格太多而无法计算。因此，如何实现结构网格与电磁网格的转换，如何满足电磁模型的基本计算要求尤为重要。

误差数学模型与结构模型及电磁模型的不匹配，导致电磁分析时，只能对误差因素进行等效简化，严重影响了天线性能分析的精度。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于数学-结构-电磁模型转换、可提高共形承载天线计算机辅助分析的精度与效率的共形承载天线的机电综合分析方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step1：根据共形承载天线的表面变形信息，得到表面测试数据；

Step2：根据表面测试数据，在MATLAB中建立误差信息数学模型；

Step3：在CAD中导入误差信息数学模型，生成包含误差信息的三维多边形曲面网格模型；

Step4：通过多边形网格—网格—曲面—实体的四步转换，得到*.igs格式的误差结构模型；

Step5：建立理想天线电磁分析模型，导入误差结构模型，通过模型整合得到包含误差信息的天线电磁分析模型；

Step6：根据包含误差信息的天线电磁分析模型，计算天线的电性能参数，如果满足计算精度要求，则完成计算，否则重复Step1至Step6，直到满足电性能参数计算精度要求为止。

前述的基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，在Step1中，根据共形承载天线的表面变形信息，得到表面测试数据，具体按如下过程进行：

(1a)对共形承载天线的结构进行力学分析，采用如下的结构刚度方程得到天线结构的位移信息：

[K]{δ}＝{P}

式中：{δ}为天线结构的位移响应向量；[K]为天线结构的刚度矩阵；{P}为作用于天线结构上的荷载向量；

(1b)应用转换矩阵[A]采用如下的转换形式得到天线阵面平面度的变形误差信息Δf(x_p,y_p)：

Δf(x_p,y_p)＝[A]{δ}

(1c)将变形误差信息按照相应的格式写成可编辑的文件格式。

前述的基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，在Step2中，在MATLAB中建立误差信息数学模型，具体按如下过程进行：

(2a)利用MATLAB软件读取步骤(1c)中的文本文件，建立误差信息数学模型；

(2b)采集误差信息数学模型中的数据点，将采集的X、Y坐标值分别放入到Excel表格的A、B列，将每个坐标点对应的Z值放入到Excel表格的C列，然后在Excel表格的D列输入公式“＝A1&”，”&B1&”，”&C1”，将十字光标从D1行一直拉伸到数据点的最后一行，最终得出的D列中的数据点就是需要导入CAD中的数据；

(2c)编译转置函数，将数学模型数据点上的*.m数据文件转换为*.str文件格式。

前述的基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，在Step3中，生成包含误差信息的三维多边形曲面网格模型，具体按如下过程进行：

(3a)导入步骤(2c)中生成的*.scr格式误差数学模型数据；

(3b)利用3Dmesh创建三维网格图元对象；

(3c)将数据输出格式用％g转换成实数，并且抛弃无意义的零值点；

(3d)得到三维多边形曲面网格模型。

前述的基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，在Step4中，通过多边形网格—网格—曲面—实体的四步转换，得到*.igs格式的误差结构模型，具体按如下过程进行：

(4a)导入步骤(3d)得到的三维多边形曲面网格模型，选择AutoCAD中三维建模模块；

(4b)在网格命令下选择增加网格平滑度，将非网格部分转换为网格；

(4c)选择转换曲面命令，将网格对象转换为曲面图像；

(4d)在曲面命令下选择造型命令，沿着误差曲面的边界画出四个面，即可用造型命令将它们所包围的部分变成实体。

前述的基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，在Step5中，建立天线理想模型，导入误差结构模型，通过模型整合得到包含误差信息的天线电磁分析模型，具体按如下过程进行：

(5a)在CST中，建立天线理想模型，导入误差结构模型；

(5b)通过导航树中的组件文件夹对误差结构模型的各参数进行修改；

(5c)通过移动命令改变误差面所在位置，通过复制命令让误差面布满天线表面，通过三维的成倍放大缩小指令可对误差大小进行更改；

(5d)得到包含误差信息的天线电磁分析模型。

前述的基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，在Step6中，计算天线的电性能参数，具体按如下过程进行：

应用电磁分析软件HFSS，设置辐射边界，激励，计算天线的电性能参数。

本发明的有益之处在于：

(1)可以进行非理想天线模型的分析，适用于复杂的随机误差建模，扩大了共形承载天线电磁分析软件的分析范围；

(2)通过对共形承载天线进行整体参数化建模，有效解决了平板裂缝天线结构分析与电磁分析脱节的问题，并且大大缩短了复杂天线整体的建模周期，提高了天线计算机辅助分析的工作效率；

(3)通过数学模型与结构模型、电磁模型的模型转换，有效解决了共形承载天线结构网格与电磁网格不匹配问题，将制造误差、随机误差、系统误差引入到了理想天线电磁模型的分析过程中，提高了天线计算机辅助分析的精度；

(4)可以更全面的描述电子装备的实际状况，更有工程指导意义。

附图说明

图1是本发明的机电综合分析方法的流程图；

图2是本发明建立的天线表面误差数学模型；

图3是导入CAD之后的多边形网格模型；

图4是CAD中的天线表面网格模型；

图5是CAD中的天线表面曲面模型图；

图6是含误差的天线结构实体模型；

图7是含误差的天线电磁分析模型；

图8是介质基板上存在分形误差的圆形贴片天线模型；

图9是含误差面天线与理想天线S参数比较图；

图10是含误差面天线与理想面天线E面方向图比较图。

具体实施方式

在本实施例中，我们使用的天线为一个圆形微带贴片天线，如图8所示，它属于共形承载天线的一种，三层结构，在介质基片的一边敷一层金属材料作为接地板，在另外一边粘贴一个圆形金属辐射片，最后在辐射片与接地板之间添加馈电线。取模型基板材料的介电常数ε_r＝2.33，基板厚度在符合上式计算结果下取h＝0.7mm，给定中心频率f＝2.5GHz。该天线具体结构参数如表1所示。

表1仿真实例所用的共形承载天线的具体结构参数

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1，本发明的基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，具体包括以下步骤：

Step1、针对实施例中的圆形贴片天线的表面变形信息，得到表面测试数据

根据共形承载天线的表面变形信息，得到表面测试数据，具体按如下过程进行：

1a、对共形承载天线的结构进行力学分析，采用如下的结构刚度方程得到天线结构的位移信息：

[K]{δ}＝{P}

式中：{δ}为天线结构的位移响应向量；[K]为天线结构的刚度矩阵；{P}为作用于天线结构上的荷载向量。

1b、应用转换矩阵[A]采用如下的转换形式得到天线阵面平面度的变形误差信息Δf(x_p,y_p)：

Δf(x_p,y_p)＝[A]{δ}。

1c、将变形误差信息按照相应的格式写成可编辑的文件格式。

Step2、根据圆形贴片天线的表面测试数据，在MATLAB中建立如图2所示的误差信息数学模型

根据表面测试数据，在MATLAB中建立误差信息数学模型，具体按如下过程进行：

2a、利用MATLAB软件读取步骤1c中的文本文件，建立误差信息数学模型。

2b、采集误差信息数学模型中的数据点，将采集的X、Y坐标值分别放入到Excel表格的A、B列，将每个坐标点对应的Z值放入到Excel表格的C列，然后在Excel表格的D列输入公式“＝A1&”，”&B1&”，”&C1”，将十字光标从D1行一直拉伸到数据点的最后一行，最终得出的D列中的数据点就是需要导入CAD中的数据。

2c、编译转置函数，将数学模型数据点上的*.m数据文件转换为*.str文件格式，其中，编译转置函数的方法为：

Step3、在CAD中导入天线误差信息数学模型，生成包含误差信息的天线三维多边形曲面网格模型

在CAD中导入误差信息数学模型，生成包含误差信息的三维多边形曲面网格模型，具体按如下过程进行：

3a、导入步骤2c中生成的*.scr格式误差数学模型数据。

3b、利用3Dmesh创建三维网格图元对象。

3c、将数据输出格式用％g转换成实数，并且抛弃无意义的零值点。

3d、得到三维多边形曲面网格模型，如图3所示。

Step4、通过多边形网格—网格—曲面—实体的四步转换，得到*.igs格式的误差结构模型

通过多边形网格—网格—曲面—实体的四步转换，得到*.igs格式的误差结构模型，具体按如下过程进行：

4a、导入步骤3d得到的三维多边形曲面网格模型，选择AutoCAD中三维建模模块。

4b、在网格命令下选择增加网格平滑度，将非网格部分转换为网格，如图4所示。

4c、选择转换曲面命令，将网格对象转换为曲面图像，如图5所示。

4d、在曲面命令下选择造型命令，沿着误差曲面的边界画出四个面，即可用造型命令将它们所包围的部分变成实体，如图6所示。

Step5、建立理想天线电磁分析模型，导入误差结构模型，通过模型整合得到包含误差信息的天线电磁分析模型

建立天线理想模型，导入误差结构模型，通过模型整合得到包含误差信息的天线电磁分析模型，具体按如下过程进行：

5a、在CST中，建立天线理想模型，导入误差结构模型。

5b、通过导航树中的组件文件夹对误差结构模型的各参数进行修改。

5c、通过移动命令改变误差面所在位置，通过复制命令让误差面布满天线表面，通过三维的成倍放大缩小指令可对误差大小进行更改。

5d、得到包含误差信息的天线电磁分析模型，如图7所示。

Step6、根据包含误差信息的天线电磁分析模型，计算天线的电性能参数

根据包含误差信息的天线电磁分析模型，计算天线的电性能参数，具体按如下过程进行：

根据包含误差信息的天线电磁分析模型，应用电磁分析软件HFSS，设置辐射边界，激励，计算天线的电性能参数。

计算得到的天线电性能参数能够满足计算精度要求。

我们将含误差面天线的S参数与理想天线的S参数进行了比较，比较结果见图9，其中，S_1,1为含误差面的天线的S参数，S_1,1-1为理想天线的S参数，通过比较我们可以发现：贴片上的分形误差会略微增加天线的谐振频率，降低天线的回波损耗。

含误差面天线性能的参数如下：

我们对含误差面天线的辐射性能进行了计算，计算的结果为：误差面天线最大增益为6.586dB，这略微低于标准的6.68dB。

可见：贴片的分形误差会对天线增益产生一定的影响。

我们又将含误差面天线的E面方向图与理想天线的E面方向图进行了比较，比较结果见图10，通过比较我们可以发现：两者主波瓣差距不是很大，均无明显副瓣。

以上仿真结果表明，本发明的方法在天线误差建模方面不仅有效的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也获得了显著改善。

本发明的方法不仅能用于共形承载天线的分析工作，也能用于微波频段的其他种类天线的分析工作。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step1：根据共形承载天线的表面变形信息，得到表面测试数据；

Step2：根据表面测试数据，在MATLAB中建立误差信息数学模型；

Step3：在CAD中导入误差信息数学模型，生成包含误差信息的三维多边形曲面网格模型；

Step4：通过多边形网格—网格—曲面—实体的四步转换，得到*.igs格式的误差结构模型；

Step5：建立理想天线电磁分析模型，导入误差结构模型，通过模型整合得到包含误差信息的天线电磁分析模型；

Step6：根据包含误差信息的天线电磁分析模型，计算天线的电性能参数，如果满足计算精度要求，则完成计算，否则重复Step1至Step6，直到满足电性能参数计算精度要求为止。

2.根据权利要求1所述的基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，在Step1中，根据共形承载天线的表面变形信息，得到表面测试数据，具体按如下过程进行：

(1a)对共形承载天线的结构进行力学分析，采用如下的结构刚度方程得到天线结构的位移信息：

[K]{δ}＝{P}

式中：{δ}为天线结构的位移响应向量；[K]为天线结构的刚度矩阵；{P}为作用于天线结构上的荷载向量；

(1b)应用转换矩阵[A]采用如下的转换形式得到天线阵面平面度的变形误差信息Δf(x_p,y_p)：

Δf(x_p,y_p)＝[A]{δ}

(1c)将变形误差信息按照相应的格式写成可编辑的文件格式。

3.根据权利要求2所述的基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，在Step2中，在MATLAB中建立误差信息数学模型，具体按如下过程进行：

(2a)利用MATLAB软件读取步骤(1c)中的文本文件，建立误差信息数学模型；

(2b)采集误差信息数学模型中的数据点，将采集的X、Y坐标值分别放入到Excel表格的A、B列，将每个坐标点对应的Z值放入到Excel表格的C列，然后在Excel表格的D列输入公式“＝A1&”，”&B1&”，”&C1”，将十字光标从D1行一直拉伸到数据点的最后一行，最终得出的D列中的数据点就是需要导入CAD中的数据；

(2c)编译转置函数，将数学模型数据点上的*.m数据文件转换为*.str文件格式。

4.根据权利要求3所述的基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，在Step3中，生成包含误差信息的三维多边形曲面网格模型，具体按如下过程进行：

(3a)导入步骤(2c)中生成的*.scr格式误差数学模型数据；

(3b)利用3Dmesh创建三维网格图元对象；

(3c)将数据输出格式用％g转换成实数，并且抛弃无意义的零值点；

(3d)得到三维多边形曲面网格模型。

5.根据权利要求4所述的基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，在Step4中，通过多边形网格—网格—曲面—实体的四步转换，得到*.igs格式的误差结构模型，具体按如下过程进行：

(4a)导入步骤(3d)得到的三维多边形曲面网格模型，选择AutoCAD中三维建模模块；

(4b)在网格命令下选择增加网格平滑度，将非网格部分转换为网格；

(4c)选择转换曲面命令，将网格对象转换为曲面图像；

(4d)在曲面命令下选择造型命令，沿着误差曲面的边界画出四个面，即可用造型命令将它们所包围的部分变成实体。

6.根据权利要求5所述的基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，在Step5中，建立天线理想模型，导入误差结构模型，通过模型整合得到包含误差信息的天线电磁分析模型，具体按如下过程进行：

(5a)在CST中，建立天线理想模型，导入误差结构模型；

(5b)通过导航树中的组件文件夹对误差结构模型的各参数进行修改；

(5c)通过移动命令改变误差面所在位置，通过复制命令让误差面布满天线表面，通过三维的成倍放大缩小指令可对误差大小进行更改；

(5d)得到包含误差信息的天线电磁分析模型。

7.根据权利要求6所述的基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电综合分析方法，其特征在于，在Step6中，计算天线的电性能参数，具体按如下过程进行：

应用电磁分析软件HFSS，设置辐射边界，激励，计算天线的电性能参数。