CN108647372A - 集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于有源相控阵天线技术领域，公开了一种集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法及系统，确定温度知识的输入样本数据；对得到的数据样本建模；经线性归一化处理实现数据归一化；将数据加载至ELM算法进行训练学习；通过热分析可确定环境温度，预测、重构出当前温度下参数；将预测得到的数据生成s2p文件，作为当前温度下功放电性能输出；在HFSS软件仿真，提取S参数；将得到的电性能S参数导入Ansoft designer软件中，进行电性能仿真分析。本发明通过采用样条插值拟合方法，得到不同温度下的器件的S参数，通过在Designer软件中进行系统级联分析可解决，得到热载荷影响下的波束指向及天线增益。

Description

集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法及系统

技术领域

本发明属于有源相控阵天线技术领域，尤其涉及一种集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法及系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：相控阵天线是目前卫星移动通信系统中最重要的一种天线形式，相位控天线系统由成千上万个天线单元按一定的顺序排列而成，每一个天线单元带有一个可控移相器或由移相器和衰减器组成的幅相调节器。通过相位控制来实现波的扫描。相控阵天线的核心组件是T/R模块，T/R模块包含了限幅器，低噪声放大器、功率放大器等有源器件。一个阵包含成千上万个T/R模块。其中T/R有源器件要产生大量的热。在相控阵天线的阵面上其热流密度可达2－20。由于冷板散热能力有限，天线系统的电子元器件的工作性能和工作寿命都将会受到很大影响，进而影响着输出电性能(天线增益和波束指向)。

综上所述，现有技术存在的问题是：有源相控阵天线天线安装密度高，工作频段高，其核心部件T/R组件发热量大，具有明显的多场耦合效应，T/R组件电路中大量的热耗会影响高功率放大器的性能，同时还影响了高功率放大器与馈线之间的匹配，进而组件输出电性能。

解决上述技术问题的难度和意义：随着有源相控阵天线系统朝着高密度化、小型化的方向，不同环境温度下天线的热电耦合效应更加明显，进而对于天线系统的性能产生很大的影响。对该系统进行合理的电性能分析对于天线高密度化、小型化优化和设计具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法及系统。

本发明是这样实现的，一种集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法，所述集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法包括：确定温度知识的输入样本数据；对得到的数据样本建模；经线性归一化处理实现数据归一化；将数据加载至ELM算法进行训练学习；通过热分析可确定当前服役过程中高功率放大器所处的环境温度，预测、重构出当前温度下功放器件电性能参数；将预测得到的参数数据生成s2p文件，作为当前温度下功放器件电性能输出；将四单元天线馈电网络、TR组件无源部分、天线阵面在HFSS软件仿真，提取其S参数；将得到的电性能S参数导入Ansoft designer软件中，对应端口连接；在Ansoftdesigner中对该系统进行电性能仿真分析，经激励推送得到有源相控阵天线的增益及其波束指向。

进一步，所述集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法具体包括以下步骤：

第一步：改变环境温度T，调节采样频率f可查看功率放大器对应电性能；电性能S参数在矢量网络分析仪测得；温度T和采样频率f构成该温度知识的输入样本数据X_i∈R^n×2，所测S参数数据为电性能参数样本Y_i∈R^n×8；

第二步：对实验得到的N个数据样本(X_i,Y_i)进行建模，状态向量X_i＝[X_i1,X_i2,...,X_iλ]^T∈R^λ表示频率和温度参数，Y_i＝[Y_i1,Y_i2,...,Y_iμ]^T∈R^λ表示对应S参数幅值相位输出；

第三步：数据归一化，X为原始数据，经线性归一化处理后的数据用表示，数据归一化公式为：

第四步：将第二步的数据加载至ELM算法进行训练学习，ELM算法中L个单隐层神经网络表示为：

为使得ELM神经网络学习目标输出误差最小，有：

设代价函数为

方程转化为求解代价函数最小值问题，即：

在ELM算法中，W_i和b_i随机确定，则隐层输出矩阵H唯一确定，训练单隐层神经网络转化为求解一个线性系统Hβ＝Y，并且输出权重β被确定：

H^-1为H矩阵的广义逆，范数最小，得到ELM代理模型：

第五步：通过热分析确定当前服役过程中高功率放大器所处的环境温度，预测、重构出当前温度下S参数，状态向量：

重复第二步得到归一化样本数据，带入代理模型中，得到对应函数输出为：

第六步：将预测得到的数据生成s2p文件，作为当前温度下功放电性能输出；

第七步：将四单元天线馈电网络、TR组件无源部分、天线阵面在HFSS软件仿真，提取S参数；

第八步：将第六步和第七步得到的电性能S参数导入Ansoft designer软件中，对应端口连接，进行电性能仿真分析，经激励推送得到有源相控阵天线的增益。

本发明的另一目的在于提供一种所述集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法的集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析系统，所述集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析系统包括：一个一分四馈电网络，T/R、四单元天线阵面。如图5所示，该天线系统经一分四馈电网络将输入信号四等分，分别经过四个T/R组件后与天线阵面贴片单元连接。在发射电路中，信号经馈电网络将输入功率四等分后至T/R组件发射电路(包括移相器、衰减器、开关构成的多功能芯片，高功率放大器，开关)，多功能芯片用来控制系统的收发状态，改变信号的幅值和相位，高功率放大器提高信号的功率，开关控制收发状态，之后经天线阵面完成发射过程；在接收电路中，信号经天线阵面至T/R组件接收电路(开关，限幅器，低噪放，多功能芯片)，限幅器用来保护接收电路，防止功率过大烧坏器件，低噪放提高信号的功率。之后通过馈电网络将四路信号合成一路完成信号接收。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明将有源相控阵天线整机分为电磁结构和电路两个部分，电磁结构如馈线，天线阵面，垂直互连结构等用HFSS软件进行分析求解，电路部分则通过Designer软件实现，之后将二者在进行耦合连接，实现电磁场和电路的耦合仿真分析，进一步提高仿真的精准度。本发明相控阵天线系统中T/R模块高功率放大器将部分电功率转化为热功耗，在不同环境下的外部温度，因素将会对高功率放大器器件性能产生影响，从而影响着T/R模块的整体输出功率，导致阵面波束指向和增益发生偏差。本发明通过采用极限学习机建模方法，得到不同温度下的器件的S参数，通过在Designer软件中进行系统级联分析可解决该问题，得到热载荷影响下的波束指向及天线增益。在50℃温度下，和现有的相控阵天线系统分析方法比较，天线的增益及指向偏差如表1所示：

表1

方法名称	增益(dB)	波束偏差(°)
			现有分析方法	14.92	0.02
集成温度知识分析方法	14.83	0.51

附图说明

图1是本发明实施例提供的集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法流程图。

图2是本发明实施例提供的集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析系统结构示意图；

图中：1、四馈电网络；2、T/R组件；3、四单元天线阵面。

图3是本发明实施例提供的集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法实现流程图。

图4是本发明实施例提供的有源相控阵天线增益图。

图5是本发明实施例提供的有源相控阵天线各模块连接关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供的集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法包括以下步骤：

S101：确定温度知识的输入样本数据；

S102：对得到的数据样本建模；

S103：经线性归一化处理实现数据归一化；

S104：将数据加载至ELM算法进行训练学习；

S105：通过热分析可确定当前服役过程中高功率放大器所处的环境温度，进而可以预测、重构出当前温度下参数；

S106：将预测得到的数据生成s2p文件，作为当前温度下功放电性能输出；

S107：将四单元天线馈电网络、TR组件无源部分、天线阵面在HFSS软件仿真，提取其S参数；

S108：将得到的电性能S参数导入Ansoft designer软件中，对应端口连接。进行电性能仿真分析，经激励推送得到有源相控阵天线的增益。

如图2所示，本发明实施例提供的集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析系统包括：一个一分四馈电网络1，T/R组件2、天线阵面3。

如图5所示，该天线系统经一分四馈电网络1将输入信号四等分，分别经过四个T/R组件2后与天线阵面3贴片单元连接。在发射电路中，信号经馈电网络1将输入功率四等分后至T/R组件2发射电路(包括移相器、衰减器、开关构成的多功能芯片，高功率放大器，开关)，多功能芯片用来控制系统的收发状态，改变信号的幅值和相位，高功率放大器提高信号的功率，开关控制收发状态，之后经天线阵面3完成发射过程；在接收电路中，信号经天线阵面3至T/R组件接收电路(开关，限幅器，低噪放，多功能芯片)，限幅器用来保护接收电路，防止功率过大烧坏器件，低噪放提高信号的功率。之后通过馈电网络1将四路信号合成一路完成信号接收。后与天线阵面3贴片单元连接。在发射电路中，信号经馈电网络1将输入功率四等分后至T/R组件2发射电路(包括移相器、衰减器、开关构成的多功能芯片，高功率放大器，开关)，多功能芯片用来控制系统的收发状态，改变信号的幅值和相位，高功率放大器提高信号的功率，开关控制收发状态，之后经天线阵面3完成发射过程；在接收电路中，信号经天线阵面3至T/R组件2接收电路(开关，限幅器，低噪放，多功能芯片)，限幅器用来保护接收电路，防止功率过大烧坏器件，低噪放提高信号的功率。之后通过馈电网络1将四路信号合成一路完成信号接收。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图3所示，本发明实施例提供的集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法具体包括以下步骤：

第一步：通过预先设计实验，改变环境温度T，调节采样频率f可查看功率放大器对应电性能。电性能S参数在矢量网络分析仪测得。温度T和采样频率f构成该温度知识的输入样本数据X_i∈R^n×2，所测S参数数据为电性能参数样本Y_i∈R^n×8；

第二步：对实验得到的N个数据样本(X_i,Y_i)进行建模，状态向量X_i＝[X_i1,X_i2,...,X_iλ]^T∈R^λ表示频率和温度参数，Y_i＝[Y_i1,Y_i2,...,Y_iμ]^T∈R^λ表示对应S参数幅值相位输出；

第三步：数据归一化，X为原始数据，经线性归一化处理后的数据用表示，数据归一化公式为：

第四步：将第二步的数据加载至ELM算法进行训练学习，ELM算法中L个单隐层神经网络可以表示为：

为使得ELM神经网络学习目标输出误差最小，有：

设代价函数为

方程转化为求解代价函数最小值问题，即：

在ELM算法中，W_i和b_i随机确定，则隐层输出矩阵H唯一确定，训练单隐层神经网络可以转化为求解一个线性系统Hβ＝Y，并且输出权重β可以被确定：

H^-1为H矩阵的广义逆，范数最小。进而得到ELM代理模型：

第五步：通过热分析可确定当前服役过程中高功率放大器所处的环境温度，进而可以预测、重构出当前温度下S参数。即状态向量：

重复第二步得到归一化样本数据，带入代理模型中，得到对应函数输出为：

第六步：将预测得到的数据生成s2p文件，作为当前温度下功放电性能输出；

第七步：将四单元天线馈电网络、TR组件无源部分、天线阵面在HFSS软件仿真，提取其S参数；

第八步：将第六步和第七步得到的电性能S参数导入Ansoft designer软件中，对应端口连接。进行电性能仿真分析，经激励推送得到有源相控阵天线的增益如图4。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法，其特征在于，所述集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法包括：确定温度知识的输入样本数据；对得到的数据样本建模；经线性归一化处理实现数据归一化；将数据加载至ELM算法进行训练学习；通过热分析可确定当前服役过程中高功率放大器所处的环境温度，预测、重构出当前温度下参数；将预测得到的数据生成s2p文件，作为当前温度下功放电性能输出；将四单元天线馈电网络、TR组件无源部分、天线阵面在HFSS软件仿真，提取其S参数；将得到的电性能S参数导入Ansoft designer软件中，对应端口连接；进行电性能仿真分析，经激励推送得到有源相控阵天线的增益。

2.如权利要求1所述的集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法，其特征在于，所述集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法具体包括以下步骤：

第一步：改变环境温度T，调节采样频率f可查看功率放大器对应电性能；电性能S参数在矢量网络分析仪测得；温度T和采样频率f构成该温度知识的输入样本数据X_i∈R^n×2，所测S参数数据为电性能参数样本Y_i∈R^n×8；

第二步：对实验得到的N个数据样本(X_i,Y_i)进行建模，状态向量X_i＝[X_i1,X_i2,...,X_iλ]^T∈R^λ表示频率和温度参数，Y_i＝[Y_i1,Y_i2,...,Y_iμ]^T∈R^λ表示对应S参数幅值相位输出；

第三步：数据归一化，X为原始数据，经线性归一化处理后的数据用表示，数据归一化公式为：

第四步：将第二步的数据加载至ELM算法进行训练学习，ELM算法中L个单隐层神经网络表示为：

为使得ELM神经网络学习目标输出误差最小，有：

设代价函数为

方程转化为求解代价函数最小值问题，即：

在ELM算法中，W_i和b_i随机确定，则隐层输出矩阵H唯一确定，训练单隐层神经网络转化为求解一个线性系统Hβ＝Y，并且输出权重β被确定：

H^-1为H矩阵的广义逆，范数最小，得到ELM代理模型：

第五步：通过热分析确定当前服役过程中高功率放大器所处的环境温度，预测、重构出当前温度下S参数，状态向量：

重复第二步得到归一化样本数据，带入代理模型中，得到对应函数输出为：

第六步：将预测得到的数据生成s2p文件，作为当前温度下功放电性能输出；

第七步：将四单元天线馈电网络、TR组件无源部分、天线阵面在HFSS软件仿真，提取S参数；

第八步：将第六步和第七步得到的电性能S参数导入Ansoft designer软件中，对应端口连接，进行电性能仿真分析，经激励推送得到有源相控阵天线的增益。

3.一种如权利要求1所述集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析方法的集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析系统，其特征在于，所述集成温度知识的有源相控阵天线电性能分析系统包括：一个一分四馈电网络，T/R组件、天线阵面；

馈电网络经过四个T/R组件后与天线阵面贴片单元连接，信号经馈电网络将输入功率四等分后至T/R组件发射电路；馈电网络将四路信号合成一路完成信号接收，与天线阵面贴片单元连接。