CN111490354A - 一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法，包括确定弹载带罩有源相控阵天线的结构参数和材料属性；在天线罩内表面、阵面布置温度传感器；计算天线罩沿厚度方向温度场分布、相对介电常数、损耗角正切、厚度变化量和透射系数；计算天线阵面位移场和空间相位误差；提取天线阵面馈电系统的温度场分布；计算移相器和衰减器温漂性能、激励电流误差和高温烧蚀下弹载天线电性能；对比初始电性能，计算阵元辐射性能变化；计算阵元激励电流幅度和相位调整量，考虑移相器和衰减器量化误差，得到自适应激励电流实际幅度和相位补偿量。本发明实现了天线电性能的自适应补偿，保障了弹载天线在整个飞行过程中的可靠性能。

Description

一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法。
背景技术
弹载有源相控阵天线在超声速、高超声速飞行过程中，弹载天线的天线罩周围空气受到了剧烈的压缩，会导致天线罩温度急剧上升。当表面温度上升到天线罩材料的熔点或升华点时，天线罩表面开始发生烧蚀，使天线罩在罩体表面以及沿厚度方向各处的温度均发生变化，高温烧蚀也会导致天线罩的厚度发生改变。此外，天线罩剧烈温升也会通过热传导和热辐射传递到天线罩内的阵列天线，一方面，高温会导致结构热膨胀使得阵元产生位置偏移，另一方面阵面馈电系统T/R组件中移相器和衰减器的性能温漂会导致天线阵元的激励电流幅度和相位产生误差，这最终会导致弹载有源相控阵天线电性能的恶化。随着弹载有源相控阵天线向着高速度、高集成度、高频段方向发展，高温烧蚀的影响会更为严重。
为分析高温烧蚀对弹载天线电性能的影响，Husain M,Jamshed S,QureshiN.Transient aero-thermal analysis of high speed vehicles using CFD[C].Proceedings of 2012 9th International Bhurban Conference on AppliedSciences&Technology(IBCAST).Islamabad,Pakistan,Jan.9-12,2012:171-175采用仿真分析方法，对气动热影响下天线罩的表面温度分布进行了分析。然而，弹载有源相控阵天线在飞行过程中，随着飞行高度、飞行速度和攻角的变化，弹载天线的温度场会发生实时变化，不同的温度场分布对弹载天线材料属性和厚度，以及罩内阵列天线阵元位置和馈电误差的影响是不同的，导致的电性能变化也不相同，因此，需对弹载有源相控阵天线的温度状态进行实时监测。此外，针对高温烧蚀导致的弹载有源相控阵天线电性能恶化，EppersonJr E H.Adaptively ablatable radome:U.S.,Patent 5,457,471[P].1995-10-10在天线罩体外表面涂覆烧蚀材料，利用材料的受热烧蚀来降低罩体的温度，然而在超声速、高超声速飞行时，极高的飞行速度会导致天线罩的温度改变，且烧蚀材料自身厚度变化同样会影响电性能；此外，也有通过优化天线罩的结构设计、材料工艺等方法来降低高温烧蚀影响，但成本增加的同时并不能避免罩体升温导致材料属性和厚度变化；而应用于微波暗室的弹载有源相控阵天线校准技术也难以用于对飞行中的弹载天线进行性能补偿，综上，对于飞行过程中的弹载有源相控阵天线，目前缺少实时监测弹载天线结构状态并进行自适应电性能补偿的方法。
因此，本发明在天线罩内部和罩内阵列天线上布置温度传感器，实时采集飞行过程中弹载天线温度信息，通过插值方法获取天线罩和阵列天线温度场分布，预估天线罩材料参数和厚度变化量、阵元位置偏移量以及阵元馈电误差，建立在以上影响因素下弹载有源相控阵天线的电性能计算模型，基于该模型计算所需的激励电流幅度和相位理论调整量，同时，考虑工程中常用数字移相器和衰减器的量化误差，给出阵元激励电流幅度和相位的实际调整量，用于自适应补偿弹载天线的电性能，具有重要的工程应用价值。
发明内容
为了实现弹载有源相控阵天线电性能的自适应补偿，本发明在天线罩内部和罩内阵列天线上布置温度传感器，实时采集飞行过程中弹载天线温度信息，建立了天线罩材料参数和厚度变化、阵元位置偏移以及阵元馈电误差影响下弹载有源相控阵天线的电性能计算模型，并考虑工程中常用数字移相器和衰减器的量化误差，给出阵元激励电流幅度和相位的实际调整量，确保飞行过程中弹载有源相控阵天线的可靠电性能。
为了实现上述目的，本发明提供的补偿方法包括如下步骤：
(1)确定弹载有源相控阵天线的结构参数和材料属性；
(2)在天线罩内表面和天线阵面上布置温度传感器；
(3)根据天线罩内表面温度采集信息，插值天线罩温度场分布；
(4)根据温度采集点位置坐标，计算天线罩沿厚度的法线方向，并确定沿天线罩厚度法线方向上的温度场分布；
(5)计算高温烧蚀后天线罩对应温度场下相对介电常数和损耗角正切的变化量；根据天线罩沿厚度法线方向的温度数值，计算天线罩的厚度烧蚀量；
(6)计算天线罩相对介电常数、损耗角正切和厚度变化后弹载有源相控阵天线的天线罩透射系数；
(7)根据天线阵面温度采集信息，插值整个阵面温度场；
(8)根据步骤(7)的温度场分布，结合热膨胀系数，计算天线阵面位移场分布，提取天线阵元的位置误差，计算弹载有源相控阵天线的空间相位误差；
(9)根据步骤(7)的温度场分布，确定阵面馈电系统的温度场，提取移相器和衰减器的温度，基于器件温漂性能，计算阵元激励电流幅相误差；
(10)根据步骤(6)得到的高温烧蚀后天线罩透射系数、步骤(8)得到的空间相位误差和步骤(9)得到的激励电流幅相误差，基于几何光学射线跟踪法，计算高温烧蚀下弹载有源相控阵天线的电性能；
(11)对比初始电性能，计算阵元辐射性能的幅度变化率和相位变化量；
(12)计算对应的各天线阵元激励电流幅度和相位理论补偿量；
(13)考虑工程中移相器和衰减器的量化误差，得到自适应的激励电流实际幅度和相位补偿量。
所述步骤(1)中弹载有源相控阵天线的结构参数包括天线罩的初始厚度、天线阵元个数、间距、馈电系统分布位置和温度传感器的位置坐标；所述材料属性包括材料的比热容c、导热系数λ、密度ρ和材料烧蚀临界温度TS。
所述步骤(3)，根据天线罩内表面第i个温度传感器采集的温度信息，设为Ti(i＝1～P)，其中，P为温度传感器总个数，采用插值函数插值天线罩结构的温度场。
所述步骤(4)具体步骤如下：
(4a)根据温度采集点的位置坐标，计算天线罩沿厚度方向的法线方向矢量n＝(xi,yh,zl)；
(4b)根据天线罩厚度的法线方向矢量和天线罩内表面位置坐标，确定出沿厚度法线方向各点的位置坐标，结合天线罩的温度场分布，得到天线罩沿厚度法线方向的温度数值。
所述步骤(5)根据天线罩的相对介电常数和损耗角正切随温度的变化属性，计算对应温度场下相对介电常数和损耗角正切的变化量，同时，根据天线罩沿厚度法线方向的温度数值，计算当温度值超过材料的烧蚀温度时，天线罩的厚度烧蚀量。
所述步骤(6)具体计算如下：
(6a)当综合考虑天线罩材料参数和厚度的变化，此时，在等效传输线模型中，得到天线罩材料介质中的等效传播常数变化；
当厚度改变，等效传输线的电尺寸也发生变化，针对水平极化波和垂直极化波，得到等效阻抗变化值；
(6b)基于等效传输线理论，当天线罩的材料参数和厚度同时改变，根据改变后的等效传输线电尺寸和改变后的等效阻抗，可得到等效传输线模型中转移矩阵；根据转移矩阵，可计算出入射电磁波的透射系数；由于任一电磁波入射天线罩壁后，均可分解为水平极化和垂直极化分量，得到在高温烧蚀影响下，水平极化场EH和垂直极化场EV对应的透射系数
Figure BDA0002458438010000051
和
Figure BDA0002458438010000052
(6c)基于水平极化场和垂直极化场的透射系数，根据等效传输线理论可得入射电磁波主极化场En的透射系数
Figure BDA0002458438010000053
即高温烧蚀影响下天线罩介电常数、损耗角正切和厚度变化后电磁波透过天线罩的透射系数。
所述步骤(8)具体步骤如下：
(8a)根据步骤(7)的温度场分布，设所采用的天线结构材料为各性同性材料，结合材料的体膨胀系数，计算阵面结构的变形量。首先根据温度场分布，将温度范围在Ti-ΔT≤Ti≤Ti+ΔT的结构体作为整体，其中，温差ΔT可取(Tmax-Tmin)/10，计算该结构体的热变形；
(8b)根据天线阵面的体积变化，确定阵元的相对位置误差(Δxn,Δyn,Δzn)，计算阵列天线的空间相位误差；
(8b)根据天线阵面的体积变化，确定阵元的相对位置误差(Δxn,Δyn,Δzn)，计算阵列天线的空间相位误差。
所述步骤(9)，移相器和衰减器的温漂性能，是根据工程某典型型号T/R组件中移相器和衰减器的测试结果与数据分析，得到温度对激励电流的影响，基于测试结果与数据分析，得到阵元激励电流的相位误差
Figure BDA0002458438010000061
所述步骤(13)具体步骤如下：
(13a)考虑数字移相器的位数，确定移相器的最小相移量，对比计算的理论相位调整量
Figure BDA0002458438010000062
和移相器相移量
Figure BDA0002458438010000063
给出阵元相位调整量，其可直接通过调整移相器实现；
(13b)将计算的理论上无单位的激励电流幅度调整量ΔAnc转换为以dB为单位的调整量，确定归一化的激励电流幅度调整量；确定数字衰减器的最小步进值ΔAmin，得到激励幅度调整量；
根据天线阵元的相位调整量和激励幅度调整量，可以快速计算出能够直接用于工程中的阵列天线阵元激励电流幅度和相位补偿量，以对弹载有源相控阵天线的电性能进行在线自适应补偿。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1.本发明实时采集飞行过程中弹载有源相控阵天线的温度信息，预估天线罩材料参数和厚度变化量、阵元位置偏移量以及阵元馈电误差，并建立在以上综合因素影响下弹载有源相控阵天线电性能的计算模型，能够对飞行过程中弹载有源相控阵天线的电性能进行在线定量评价。
2.本发明为降低天线罩材料参数和厚度变化、阵元位置偏移以及馈电误差对弹载有源相控阵天线电性能的影响，基于弹载天线的温度采集信息，同时考虑工程中数字移相器和衰减器的量化误差影响，建立了可以直接应用于数字移相器和衰减器的激励电流幅度和相位补偿量计算模型，实现了弹载有源相控阵天线的在线自适应补偿，具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法的流程图；
图2是弹载有源相控阵天线的结构组成图；
图3是弹载有源相控阵天线结构尺寸图；
图4(a)、图4(b)分别是天线罩内部和阵列天线阵面的温度传感器；
图5温度插值后的天线罩温度场分布；
图6(a)、图6(b)分别是温度插值后的天线阵面和馈电系统温度场分布；
图7(a)、图7(b)分别是材料相对介电常数和损耗角正切的温度特性变化曲线图；
图8(a)、图8(b)分别是阵元激励电流幅度和相位补偿量；
图9是补偿前后弹载有源相控阵天线方向图。
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，本发明为一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法，具体步骤如下：
步骤1，确定弹载有源相控阵天线的结构参数和材料属性。
弹载有源相控阵天线的结构参数和材料属性包括：弹载阵列天线的天线罩和罩内阵列天线如图2所示，其中，1为天线罩、2为天线阵元、3为阵面面板、4为馈电系统、5为阵面框架、6为阵面底板，弹载天线的结构尺寸图如图3所示，包括天线罩的初始厚度、天线阵元间距和馈电系统分布位置等；材料属性包括材料的比热容c、导热系数λ、密度ρ和材料烧蚀临界温度TS。
步骤2，在天线罩内表面和天线阵面上布置温度传感器。
在天线罩内表面和有源相控阵天线的阵面上布置温度传感器，如图4(a)、图4(b)所示，其中1为温度传感器。
步骤3，根据天线罩内表面温度采集信息，插值天线罩温度场分布。
根据天线罩内表面第i个温度传感器采集的温度信息，设为Ti(i＝1～P)，其中，P为温度传感器总个数，采用如下插值函数插值天线罩结构的温度场，结果如图5所示。
Figure BDA0002458438010000081
Figure BDA0002458438010000082
式中，(xi,yi,zi)和(xj,yj,zj)分别为第i个温度传感器和第j个需要插值的位置处的位置坐标；wji为第i个位置处测量得到的温度数值Ti对于天线罩第j个位置处温度Tj的加权因子；m为防止测量点和插值点相同时设置的非零项微小数值，取为0.001，p为控制距离影响权重的因子，q为控制权重因子wji的因子。
步骤4，计算天线罩沿厚度的法线方向，并确定沿天线罩厚度法线方向上的温度场分布。
根据温度采集点位置坐标，计算天线罩沿厚度的法线方向，并确定沿天线罩厚度法线方向上的温度场分布，具体步骤如下：
(4a)根据温度采集点的位置坐标，计算天线罩沿厚度方向的法线方向矢量n＝(xi,yh,zl)，具体计算公式如下
Figure BDA0002458438010000091
式中，(xi,yi,zi)、(xi+1,yi+1,zi+1)和(xi+2,yi+2,zi+2)分别为第i、i+1和i+2个温度传感器的位置坐标，i,h,l分别为三个坐标轴方向上的单位矢量。
(4b)根据天线罩厚度的法线方向矢量和天线罩内表面的位置坐标，确定沿厚度法线方向各点的位置坐标，结合天线罩的温度场分布，得到天线罩沿厚度法线方向的温度数值。
步骤5，计算天线罩相对介电常数和损耗角正切的变化量，以及天线罩的厚度烧蚀量。
根据天线罩的相对介电常数和损耗角正切随温度的变化属性，如图7(a)、图7(b)所示，计算对应温度场下天线罩的相对介电常数和损耗角正切的变化量；同时，根据天线罩沿厚度法线方向的温度数值，计算当温度值超过烧蚀温度时，天线罩的厚度烧蚀量。
步骤6，计算天线罩相对介电常数、损耗角正切和厚度变化后弹载有源相控阵天线的天线罩透射系数。
(6a)当综合考虑天线罩材料参数和厚度的变化，此时，在等效传输线模型中，天线罩材料介质中的等效传播常数
Figure BDA0002458438010000092
变化为：
Figure BDA0002458438010000093
式中，ε为相对介电常数，tanδ为损耗角正切，Δε和Δtanδ分别为温度导致的罩体材料相对介电常数和损耗角正切的变化量，λ为电磁波波长，αi＝arccos(Pn0·τM0)为电磁波的入射角。
当厚度改变，等效传输线的电尺寸变化为：
Figure BDA0002458438010000101
式中，d和Δd分别为等效介质平板的厚度和厚度变化量。
针对水平极化波和垂直极化波，其等效阻抗分别改变为：
Figure BDA0002458438010000102
式中，j为虚数单位。
(6b)基于等效传输线理论，当天线罩的材料参数和厚度同时改变，根据式(5)改变后的等效传输线电尺寸和式(6)改变后的等效阻抗，可得到等效传输线模型中转移矩阵为
Figure BDA0002458438010000103
(6c)根据式(7)的转移矩阵，可计算出入射电磁波的透射系数，由于任一电磁波入射天线罩壁后，均可分解为水平极化和垂直极化分量，在高温烧蚀影响下，水平极化场EH和垂直极化场EV对应的透射系数
Figure BDA0002458438010000104
和
Figure BDA0002458438010000105
可表示为：
Figure BDA0002458438010000106
式中，
Figure BDA0002458438010000107
为空气介质下的等效阻抗，T'H和T’V分别为水平极化场和垂直极化场透射系数的幅值，
Figure BDA0002458438010000108
和
Figure BDA0002458438010000109
分别为对应的相位。
(6d)基于式(8)水平极化场和垂直极化场的透射系数，根据等效传输线理论可得入射电磁波主极化场En的透射系数
Figure BDA0002458438010000111
如下所示，即高温烧蚀影响下天线罩介电常数、损耗角正切和厚度变化后电磁波透过天线罩的透射系数
Figure BDA0002458438010000112
Figure BDA0002458438010000113
式中，φM为电磁波的极化角，φM＝arcsin(nM0·En)，nM0为入射平面的单位垂线方向，En为电磁波的单位极化入射场，
Figure BDA0002458438010000114
为入射平面的夹角，
Figure BDA0002458438010000115
其中，β为与电磁波极化角的互余角，δi为水平极化场与垂直极化场的插入相位移之差，δ＝η'H-η'V，
Figure BDA0002458438010000116
是水平极化场的插入相位移，
Figure BDA0002458438010000117
是垂直极化场的插入相位移。
步骤7，根据天线阵面温度采集信息，插值整个阵面温度场。
根据天线阵面的温度采集信息，采用式(1)和式(2)插值整个天线阵面的温度场分布，如图6(a)、图6(b)所示。
步骤8，计算天线阵面位移场分布，提取天线阵元的位置误差，计算阵列天线的空间相位误差。
(8a)根据步骤(7)的温度场分布，设所采用的天线结构材料为各向同性材料，因此结合材料的体膨胀系数，计算阵面结构的变形量。首先根据温度场分布，将温度范围在Ti-ΔT≤Ti≤Ti+ΔT的结构体作为整体，其中，温差ΔT可取(Tmax-Tmin)/10，在计算该结构体的热变形时，计算公式如下：
ΔV＝V0β(Ti-T0) (10)
式中，β为天线阵面材料的体膨胀系数，T0为初始温度，Ti为烧蚀后的结构温度，V0为结构体初始体积。
(8b)根据天线阵面的体积变化，确定阵元的相对位置误差(Δxn,Δyn,Δzn)，计算阵列天线的空间相位误差，如下
Figure BDA0002458438010000121
式中，k＝2π/λ为传播常数，λ为电磁波波长，Δr＝Δxni+Δynh+Δznl为阵元的位置误差，r0＝sinθcosφi+sinθsinφh+cosθl为远区观察点方向的单位矢量，θ、φ分别为俯仰和方位角度。
步骤9，确定阵面馈电系统的温度场，提取移相器和衰减器的温度，计算阵元激励电流幅相误差。
根据步骤(7)的温度场分布，确定阵面馈电系统的温度场，提取移相器和衰减器的温度，基于器件温漂性能，计算阵元激励电流幅相误差。其中，移相器和衰减器的温漂性能，是根据工程某典型型号T/R组件中移相器和衰减器的测试结果与数据分析，得到温度对激励电流的影响，其中，温度对激励电流幅度的影响如下：
Figure BDA0002458438010000122
式中，T为阵面温度，ΔA’nt(T)为归一化激励幅度误差，激励电流的幅度误差可以表示为ΔAnt(T)＝ΔA’nt(T)·Anmax，其中Anmax为激励电流幅度的最大值。
基于测试结果与数据分析，得到阵元激励电流的相位误差
Figure BDA0002458438010000123
为
Figure BDA0002458438010000131
步骤10，基于几何光学射线跟踪法，计算高温烧蚀下弹载有源相控阵天线的电性能。
根据步骤(6)得到的高温烧蚀后天线罩透射系数、步骤(8)得到的空间相位误差和步骤(9)得到的激励电流幅相误差，基于几何光学射线跟踪法，计算高温烧蚀下弹载有源相控阵天线的电性能，具体如下：
Figure BDA0002458438010000132
式中，fn(θ,φ)为第n(n≤N)个天线阵元的方向图，rn＝xni+ynh+znl表示第n个天线阵元的位置矢量，其中，xn、yn、zn分别为天线阵元在对应的x、y、z三个坐标轴方向上的位置坐标；An为初始激励电流幅度，ΔAnt(T)为激励电流的幅度误差，ΔAnp(T)为阵面电源纹波对激励电流调制导致的幅度误差，
Figure BDA0002458438010000133
为初始激励电流相位，
Figure BDA0002458438010000134
为阵面电源纹波导致的激励电流相位误差，
Figure BDA0002458438010000135
为移相器和衰减器性能温漂导致的馈电相位误差；
步骤11，对比初始电性能，计算阵元辐射性能幅度变化率和相位变化量。
对比初始电性能，计算阵元辐射性能的幅度变化率和相位变化量，具体如下，将式(14)改写为
Figure BDA0002458438010000141
式中，
Figure BDA0002458438010000142
为理想天线罩的透射系数，
Figure BDA0002458438010000143
和
Figure BDA0002458438010000144
分别为天线罩材料参数与厚度变化导致的透射系数幅度变化率与相位变化量。
步骤12，计算对应的各天线阵元激励电流幅度和相位理论补偿量。
计算对应的各天线阵元激励电流幅度和相位理论补偿量，其分别为：
Figure BDA0002458438010000145
式中，
Figure BDA0002458438010000146
为天线罩材料参数与厚度变化导致的透射系数幅度变化率，
Figure BDA0002458438010000147
天线罩材料参数与厚度变化导致的透射系数相位变化量。
步骤13，基于工程中移相器和衰减器的量化误差，得到自适应的激励电流实际幅度和相位补偿量。
(13a)考虑数字移相器的位数，确定移相器的最小相移量，即
Figure BDA0002458438010000148
其中，d为数字移相器的位数。对比计算的理论相位调整量
Figure BDA0002458438010000149
和移相器相移量
Figure BDA00024584380100001410
根据以下公式，给出天线阵元的相位调整量，其可直接通过调整移相器实现。
Figure BDA00024584380100001411
式中，t为理论相位调整量
Figure BDA00024584380100001412
除以移相器相移量
Figure BDA00024584380100001413
的商，
Figure BDA00024584380100001414
为阵元实际激励电流相位调整量。
(13b)工程中有源相控阵天线激励电流幅度的调整通过衰减器进行，由于衰减器的调整量是以dB为单位，因此，首先，将式(16)计算的理论上无单位的激励电流幅度调整量ΔAnc转换为以dB为单位的调整量，首先，确定归一化的激励电流幅度调整量，即
Figure BDA0002458438010000151
对式(18)的归一化激励电流调整量计算如下，将其单位转换为dB。
ΔA”nc(dB)＝-20lg(ΔA”nc) (19)
确定数字衰减器的最小步进值ΔAmin，将式(19)的激励幅度调整量表示为
Figure BDA0002458438010000152
根据式(17)和式(20)可以快速计算出能够直接用于工程中的阵列天线阵元激励电流幅度和相位补偿量，以对弹载有源相控阵天线的电性能进行在线自适应补偿。
本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：
一、确定弹载阵列天线的结构参数和材料属性，在天线罩内表面和天线阵面上布置温度传感器。
如图2所示为弹载有源相控阵天线结构，其中，1为天线罩、2为天线阵元、3为阵面面板、4为馈电系统、5为阵面框架、6为阵面底板。弹载有源相控阵天线的具体尺寸如图3所示，其中天线阵面口径为半径0.2m的圆形口径，阵面位于距离天线罩顶0.92m处。在天线阵面上共排布372个阵元，阵元之间间距为λ/2，工作频率为9.375GHz，阵元的初始激励电流为等幅同相分布。天线罩采用石英玻璃材料，在室温下该材料的相对介电常数为3.45，损耗角正切为0.0004。天线阵面的材料为铝合金，体膨胀系数为22.8×10-6/K。分别在天线罩内表面和天线阵面上布置温度传感器，如图4(a)、图4(b)所示，其中1为温度传感器，温度的采集信息如表1所示。
表1弹载有源相控阵天线温度采集信息(℃)
Figure BDA0002458438010000161
二、根据天线罩内表面温度采集信息，插值天线罩温度场分布，计算天线罩相对介电常数、损耗角正切和厚度变化后天线罩透射系数；
根据表1中天线罩内表面的温度采集信息，采用式(1)和式(2)插值天线罩的温度场分布，如图5所示。根据温度采集点位置坐标，计算天线罩沿厚度的法线方向，并确定沿天线罩厚度法线方向上的温度场分布，进而，根据天线罩材料参数随温度的变化属性，如图7(a)、图7(b)所示，计算天线罩相对介电常数和损耗角正切的变化量，当天线罩体温度超过材料的烧蚀温度，即，计算天线罩的厚度烧蚀量；最后，根据式(9)计算天线罩相对介电常数、损耗角正切和厚度变化后弹载有源相控阵天线的天线罩透射系数。
三、根据天线阵面温度采集信息，插值整个阵面温度场，计算阵列天线的空间相位误差和阵元激励电流幅相误差，并基于几何光学射线跟踪法，计算高温烧蚀下弹载有源相控阵天线的电性能；
根据表1中天线阵面的温度采集信息，插值整个阵面温度场，如图6(a)、所示，结合天线阵面的体膨胀系数，计算天线阵面位移场分布，提取天线阵元的位置误差，计算阵列天线的空间相位误差；同时，确定阵面馈电系统的温度场，如图6(b)所示，提取移相器和衰减器的温度，基于器件温漂性能，如式(12)和式(13)所示，计算天线阵元激励电流幅相误差。
基于几何光学射线跟踪法，采用式(15)计算高温烧蚀下弹载阵列天线的电性能，该式可以评估天线罩材料参数和厚度误差、天线阵元位置偏移和激励电流幅相误差同时存在时弹载有源相控阵天线的电性能。
四、考虑工程中移相器和衰减器的量化误差，计算自适应的激励电流实际幅度和相位补偿。
基于弹载天线的高温烧蚀结果，对弹载有源相控阵天线在线自适应补偿方法进行验证。采用工程中常用的6位移相器，同时衰减器的最小步进值为0.5dB，根据式(18)计算弹载有源相控阵天线阵元的激励电流幅度和相位补偿量，如图8(a)、图8(b)所示。图9给出了补偿前后弹载有源相控阵天线的方向图，表2列出了相应的电性能指标。
表2弹载有源相控阵天线电性能指标对比
Figure BDA0002458438010000171
五、结果分析
分析图9和表2可知，在天线罩材料参数和厚度改变、阵列天线馈电误差和位置偏移影响下，弹载有源相控阵天线的电性能降低，其中，增益损失为0.98dB，且第一副瓣电平被提升，同时主波束指向也产生了误差。采用本发明所提的电性能自适应补偿方法能够有效改善弹载天线的电性能，可同时对天线的增益、第一副瓣电平、波束宽度与主波束指向均进行补偿。因此，该补偿方法可以基于飞行过程中弹载有源相控阵天线实时采集的温度数值，确定出对应的天线阵元激励电流幅度和相位补偿量，对弹载有源相控阵天线的电性能进行在线自适应补偿。

Claims (10)

1.一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)确定弹载有源相控阵天线的结构参数和材料属性；
(2)在天线罩内表面和天线阵面上布置温度传感器；
(3)根据天线罩内表面温度采集信息，插值天线罩温度场分布；
(4)根据温度采集点位置坐标，计算天线罩沿厚度的法线方向，并确定沿天线罩厚度法线方向上的温度场分布；
(5)计算高温烧蚀后天线罩对应温度场下相对介电常数和损耗角正切的变化量；根据天线罩沿厚度法线方向的温度数值，计算天线罩的厚度烧蚀量；
(6)计算天线罩相对介电常数、损耗角正切和厚度变化后弹载有源相控阵天线的天线罩透射系数；
(7)根据天线阵面温度采集信息，插值整个阵面温度场；
(8)根据步骤(7)的温度场分布，结合热膨胀系数，计算天线阵面位移场分布，提取天线阵元的位置误差，计算弹载有源相控阵天线的空间相位误差；
(9)根据步骤(7)的温度场分布，确定阵面馈电系统的温度场，提取移相器和衰减器的温度，基于器件温漂性能，计算阵元激励电流幅相误差；
(10)根据步骤(6)得到的高温烧蚀后天线罩透射系数、步骤(8)得到的空间相位误差和步骤(9)得到的激励电流幅相误差，基于几何光学射线跟踪法，计算高温烧蚀下弹载有源相控阵天线的电性能；
(11)对比初始电性能，计算阵元辐射性能的幅度变化率和相位变化量；
(12)计算对应的各天线阵元激励电流幅度和相位理论补偿量；
(13)考虑工程中移相器和衰减器的量化误差，得到自适应的激励电流实际幅度和相位补偿量。
2.根据权利要求1所述的一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法，其特征在于，所述步骤(1)中，弹载有源相控阵天线的结构参数包括天线罩的初始厚度、天线阵元个数、间距、馈电系统分布位置和温度传感器的位置坐标；所述材料属性包括材料的比热容c、导热系数λ、密度ρ和材料烧蚀临界温度TS。
3.根据权利要求1所述的一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法，其特征在于，所述步骤(3)，根据天线罩内表面第i个温度传感器采集的温度信息，设为Ti，i＝1～P，其中，P为温度传感器总个数，采用如下插值函数插值天线罩结构的温度场：
Figure FDA0002458436000000021
Figure FDA0002458436000000022
式中，(xi,yi,zi)和(xj,yj,zj)分别为第i个温度传感器和第j个需要插值的位置处的位置坐标；wji为第i个位置处测量得到的温度数值Ti对于天线罩第j个位置处温度Tj的加权因子；m为防止测量点和插值点相同时设置的非零项微小数值，p为控制距离影响权重的因子，q为控制权重因子wji的因子。
4.根据权利要求1所述的一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法，其特征在于，所述步骤(4)，具体步骤如下：
(4a)根据温度采集点的位置坐标，计算天线罩沿厚度方向的法线方向矢量n＝(xi,yh,zl)，具体计算公式如下：
Figure FDA0002458436000000031
式中，(xi,yi,zi)、(xi+1,yi+1,zi+1)和(xi+2,yi+2,zi+2)分别为第i、i+1和i+2个温度传感器的位置坐标，i,h,l分别为三个坐标轴方向上的单位矢量；
(4b)根据天线罩厚度的法线方向矢量和天线罩内表面位置坐标，确定出沿厚度法线方向各点的位置坐标，结合天线罩的温度场分布，得到天线罩沿厚度法线方向的温度数值。
5.根据权利要求1所述的一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法，其特征在于，步骤(6)具体步骤如下：
(6a)在等效传输线模型中，天线罩材料介质中的等效传播常数
Figure FDA0002458436000000032
变化为：
Figure FDA0002458436000000033
式中，ε为相对介电常数，tanδ为损耗角正切，Δε和Δtanδ分别为温度导致的罩体材料相对介电常数和损耗角正切的变化量，λ为电磁波波长，αi为电磁波的入射角；
当天线罩的厚度改变，等效传输线的电尺寸
Figure FDA0002458436000000034
变化为：
Figure FDA0002458436000000035
式中，d和Δd分别为等效介质平板的厚度和厚度变化量；
针对水平极化波和垂直极化波，其等效阻抗分别改变为：
Figure FDA0002458436000000041
式中，j为虚数单位；
(6b)当天线罩的材料参数和厚度同时改变，根据式(5)改变后的等效传输线电尺寸和式(6)改变后的等效阻抗，可得到等效传输线模型中转移矩阵为
Figure FDA0002458436000000042
(6c)根据式(7)的转移矩阵，可计算出入射电磁波的透射系数，水平极化场EH和垂直极化场EV对应的透射系数
Figure FDA0002458436000000043
和
Figure FDA0002458436000000044
可表示为：
Figure FDA0002458436000000045
式中，
Figure FDA0002458436000000046
为空气介质下的等效阻抗，T′H和T′V分别为水平极化场和垂直极化场透射系数的幅值，
Figure FDA0002458436000000047
和
Figure FDA0002458436000000048
分别为对应的相位；
(6d)基于式(8)水平极化场和垂直极化场的透射系数，根据等效传输线理论可得入射电磁波主极化场En的透射系数
Figure FDA0002458436000000049
Figure FDA00024584360000000410
式中，φM为电磁波的极化角，φM＝arcsin(nM0·En)，nM0为入射平面的单位垂线方向，En为电磁波的单位极化入射场，
Figure FDA00024584360000000411
为入射平面的夹角，
Figure FDA00024584360000000412
其中，β为与电磁波极化角的互余角，δi为水平极化场与垂直极化场的插入相位移之差，δ＝η'H-η'V，
Figure FDA0002458436000000051
是水平极化场的插入相位移，
Figure FDA0002458436000000052
是垂直极化场的插入相位移。
6.根据权利要求5所述的一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法，其特征在于，步骤(8)具体步骤如下：
(8a)根据步骤(7)的温度场分布，计算该结构体的热变形：
ΔV＝V0β(Ti-T0) (10)
式中，β为天线阵面材料的体膨胀系数，T0为初始温度，Ti为烧蚀后的结构温度，V0为结构体初始体积；
(8b)根据天线阵面的体积变化，确定阵元的相对位置误差(Δxn,Δyn,Δzn)，计算阵列天线的空间相位误差：
Figure FDA0002458436000000053
式中，k＝2π/λ为传播常数，λ为电磁波波长，Δr＝Δxni+Δynh+Δznl为阵元的位置误差，r0＝sinθcosφi+sinθsinφj+cosθl为远区观察点方向的单位矢量，i,h,l分别为三个坐标轴方向上的单位矢量，θ、φ分别为俯仰和方位角度。
7.根据权利要求1所述的一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法，其特征在于，步骤(9)中，温度对激励电流幅度的影响如下：
Figure FDA0002458436000000054
式中，T为阵面温度，ΔA′nt(T)为归一化激励幅度误差；
激励电流的幅度误差可以表示为：ΔAnt(T)＝ΔA′nt(T)·Anmax
其中，Anmax为激励电流幅度的最大值；
基于测试结果与数据分析，得到阵元激励电流的相位误差
Figure FDA0002458436000000061
为
Figure FDA0002458436000000062
8.根据权利要求6所述的一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法，其特征在于，步骤(10)中，高温烧蚀下弹载有源相控阵天线的电性能如下：
Figure FDA0002458436000000063
式中，fn(θ,φ)为第n个天线阵元的方向图，n≤N，rn＝xni+ynh+znl表示第n个天线阵元的位置矢量，其中，xn、yn、zn分别为天线阵元在对应的x、y、z三个坐标轴方向上的位置坐标；An为初始激励电流幅度，ΔAnt(T)为激励电流的幅度误差，ΔAnp(T)为阵面电源纹波对激励电流调制导致的幅度误差，
Figure FDA0002458436000000064
为初始激励电流相位，
Figure FDA0002458436000000065
为阵面电源纹波导致的激励电流相位误差，
Figure FDA0002458436000000066
为移相器和衰减器性能温漂导致的馈电相位误差；
步骤(11)中，对比初始电性能，计算阵元辐射性能的幅度变化率和相位变化量，具体如下，将式(14)改写为
Figure FDA0002458436000000067
式中，
Figure FDA0002458436000000071
为理想天线罩的透射系数，
Figure FDA00024584360000000713
和
Figure FDA0002458436000000072
分别为天线罩材料参数与厚度变化导致的透射系数幅度变化率与相位变化量。
9.根据权利要求1所述的一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法，其特征在于步骤(12)中，计算对应的各天线阵元激励电流幅度和相位理论补偿量，其分别为：
Figure FDA0002458436000000073
式中，
Figure FDA0002458436000000074
为天线罩材料参数与厚度变化导致的透射系数幅度变化率，
Figure FDA0002458436000000075
为天线罩材料参数与厚度变化导致的透射系数相位变化量。
10.根据权利要求9所述的一种高速飞行器有源相控阵天线在线自适应补偿方法，其特征在于，步骤(13)考虑工程中移相器和衰减器的量化误差，得到自适应的激励电流实际幅度和相位补偿量：
(13a)考虑数字移相器的位数，确定移相器的最小相移量，即
Figure FDA0002458436000000076
其中，d为数字移相器的位数；对比计算的理论相位调整量
Figure FDA0002458436000000077
和移相器相移量
Figure FDA0002458436000000078
给出天线阵元的相位调整量：
Figure FDA0002458436000000079
式中，t为理论相位调整量
Figure FDA00024584360000000710
除以移相器相移量
Figure FDA00024584360000000711
的商，
Figure FDA00024584360000000712
为阵元实际激励电流相位调整量；
(13b)将式(16)激励电流幅度调整量ΔAnc转换为以dB为单位的调整量，确定归一化的激励电流幅度调整量：
Figure FDA0002458436000000081
对式(18)的归一化激励电流调整量为：
ΔA″nc(dB)＝-20lg(ΔA′nc) (19)
确定数字衰减器的最小步进值ΔAmin，将式(19)的激励幅度调整量表示为：
Figure FDA0002458436000000082
根据式(17)和式(20)可以快速计算出可直接用于工程中的阵元激励电流的幅度和相位补偿量，以对弹载有源相控阵天线电性能进行自适应补偿。
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