CN112231896A - 一种基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，既可以仿真分析贴片天线生产过程中产生小尺度表面粗糙度误差后的电磁性能，也可以仿真分析贴片天线在服役环境中因受力、受热产生大尺度结构变形后的电磁性能，适用性好；通过采用实体模型转化的方式，将产生结构变形的贴片天线对应的多边形网格模型以实体模型的方式导入电磁仿真软件中，能够对多尺度结构变形的贴片天线进行重构，可以使用电磁分析软件自由地进行网格划分和仿真分析，能够实现实体模型在不同分析软件之间的转化，不仅可以为贴片天线远场辐射性能的分析提供技术支持，而且在雷达、通信等无线技术领域具有重要的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，可用于服役环境中贴片天线发生结构变形后的远场电磁辐射性能预测与可靠性评定。
背景技术
天线远场的增益、主波束指向、波束宽度等指标是天线最主要的辐射能力评判依据，但是由于贴片天线本身结构的独特性和应用环境的复杂性，使其在生产、安装、使用的过程中产生难以避免地发生结构变形的情况，如材料表面粗糙度、受力翘曲、振动变形、气动冲击变形等，导致天线远场性能变化，影响天线的正常工作。因此，研究贴片天线多尺度结构变形后的远场分析方法，不仅有利于工程实际中贴片天线的电磁辐射性能预测，也有利于贴片天线服役环境下的可靠性分析。
西安电子科技大学在其申请的专利文献“一种共形承载天线的机电分析方法”(申请号201810041487.6，申请日2018.01.16，公开号CN108399274A)中公开了一种基于数学-结构-电磁模型转换的共形承载天线的机电分析方法，该方法通过在MATLAB软件中建立表面信息数学模型，在CAD软件中将表面信息数学模型导入生成多边形网格模型，并转化为三维实体表面结构模型，与理想天线模型相结合，最终得到带有表面粗糙结构的天线电磁分析模型。但是，该方法存在的不足之处是，采用的表面数学模型为小尺度模型，仅适用于小尺度结构变形下的远场辐射分析，而实际情况中还存在大尺度的变形，故无法完全模拟服役环境下的多尺度变形。
西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于网格转换的平板裂缝阵天线机电分析方法”(申请号201010289921.6，申请日2010.09.25，公开号CN101930495B)中公开了一种基于网格处理的结构-电磁机电分析方法，该方法在结构分析软件中提取天线原始结构网格信息，对网格进行细化、模型提取及单元重构，将内腔网格模型转化为电磁分析模型，完成结构分析网格到电磁分析网格的转化，最后导入电磁仿真软件完成电磁分析。但是，该方法存在的不足之处是，该方法通过结构分析网格到电磁分析网格的转化来实现大尺度变形下的远场分析，由于结构分析软件与电磁分析软件间网格划分规律不同，故无法保证转化后的电磁分析网格是电磁仿真软件中最优的网格划分方式，影响仿真结果的准确性，不利于仿真软件的进一步优化分析。
由此可知，目前关于贴片天线发生结构变形后的电磁性能分析，一方面存在尺度因素考虑不全面的问题，另一方面运用网格转化的方式获得的网格模型不便调整，不利于仿真软件的优化分析。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明实施例提供了一种基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，以解决现有技术在贴片天线结构变形后的电磁仿真过程中出现的尺度考虑不全面、无法保证网格划分最优化等问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，该方法包括以下步骤：
对于小尺度结构变形的贴片天线，通过数值分析软件建立面形误差模型，提取面形误差模型的节点坐标数据；
将所述节点坐标数据导入三维实体建模软件，建立形面误差模型的三维实体模型，实现形面误差模型到实体模型的转化；
利用电磁仿真软件，将所述三维实体模型与天线模型结合，实现仿真分析。
优选地，所述形面误差模型为高斯误差函数，运用MATLAB软件建立函数模型，从各坐标轴矩阵中提取坐标数据，以表格形式将所述坐标数据存入Excel中。
优选地，从所述坐标数据中可以提取出多条同一平面内的曲线，将每条曲线的坐标数据以txt格式分别存储。
优选地，将所述节点坐标数据导入三维实体建模软件，建立形面误差模型的三维实体模型包括：
在SolidWorks软件中选用“通过点的曲线”功能，导入所述坐标数据，得到高斯误差函数误差面的曲线；
利用SolidWorks软件的放样曲面功能，依次选中所述曲线，将所述曲线转化为曲面实体模型。
优选地，利用电磁仿真软件，将所述三维实体模型与天线模型结合，实现仿真分析包括：
将所述三维实体模型保存为step格式；
在三维高频电磁场仿真工具HFSS中导入所述三维实体模型，运用三维高频电磁场仿真工具HFSS的曲面扫描、布尔运算操作完成三维实体模型与天线模型的结合，实现仿真分析。
第二方面，本发明实施例提供了另一种基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
对于大尺度结构变形的贴片天线介质基板，通过力学仿真分析软件仿真得到所述贴片天线介质基板的点云数据；
将所述点云数据导入三维实体建模软件，对所述贴片天线介质基板的第一实体模型进行重构，生成所述贴片天线介质基板的第二实体模型；
利用电磁仿真软件，将所述实体模型与天线模型结合，实现仿真分析。
优选地，通过力学仿真分析软件仿真得到所述贴片天线介质基板的点云数据包括：
在三维高频电磁场仿真工具HFSS中建立贴片天线介质基板模型，保存为step格式；
在仿真分析软件ANSYS workbench中新建静力学分析Static Structural项目，在静力学分析Static Structural项目的几何工具Geometry中导入所述贴片天线介质基板模型，得到所述贴片天线介质基板模型的仿真结果；
将静力学分析Static Structural项目中的方法信息Solution information另存为dat格式并利用参数化设计语言APDL，获取所述贴片天线介质基板模型的形变仿真结果中网格节点坐标，将所述网格节点坐标保存为list格式；
将所述贴片天线介质基板模型的形变仿真结果中的网格节点形变量DirectionalDeformation导出为Excel文件；
所述网格节点形变量Directional Deformation与所述网格节点坐标相加，得到变形后的网格节点坐标；
将所述网格节点坐标分三个平面提取出来，作为点云数据并将所述点云数据保存为txt格式。
优选地，将所述点云数据导入三维实体建模软件，对贴片天线介质基板的第一实体模型进行重构，生成所述贴片天线介质基板的第二实体模型包括：
把所述点云数据拖到SolidWorks软件，识别点云数据并显示点云图像；
激活SolidWorks软件的网格处理向导功能，进入曲面向导，完成三个曲面的拟合；
使用SolidWorks软件的放样凸台功能，依次选中拟合后的三个曲面，生成所述贴片天线介质基板的第二实体模型，完成点云数据到实体模型转化并将所述第二实体模型保存为step格式。
优选地，利用电磁仿真软件，将所述实体模型与天线模型结合，实现仿真分析包括：
在三维高频电磁场仿真工具HFSS中导入所述第二实体模型；
运用平面模型之间的相交操作，建立辐射贴片和接地平面模型，完成所述第二实体模型与天线模型的结合，实现仿真分析。
本发明实施例提供的基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法具有以下有益效果：
(1)提供小尺度结构变形和大尺度结构变形下的贴片天线机电分析方法，既可以仿真分析贴片天线生产过程中产生小尺度表面粗糙度误差后的电磁性能，也可以仿真分析贴片天线在服役环境中因受力、受热产生大尺度结构变形后的电磁性能，应用范围广泛，工程适用性好；
(2)采用实体模型转化的方式，将产生结构变形的贴片天线对应的多边形网格模型以实体模型的方式导入电磁仿真软件中，没有网格结构的限制，可以实现模型任意的网格划分、布尔运算等操作，能够实现后续自由的优化设计和仿真分析。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法流程示意图；
图3为贴片天线模型示意图；
图4为服从高斯误差函数的表面图像示意图；
图5a-图5b为三维曲线拟合示意图；
图6为曲面实体模型示意图；
图7为贴片天线介质基板模型块示意图；
图8是结合小尺度结构变形后的贴片天线介质基板模型示意图；
图9是结合小尺度结构变形后的贴片天线电磁仿真模型示意图；
图10是贴片天线介质基板形变仿真结果示意图；
图11是贴片天线介质基板网格点示意图；
图12是大尺度变形贴片天线点云数据图像示意图；
图13是三个曲面拟合结果示意图；
图14是结合大尺度结构变形后的贴片天线介质基板实体模型示意图；
图15是结合大尺度结构变形后的贴片天线电磁仿真模型示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
如图1所示，本发明实施例提供的基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法包括以下步骤：
S101，对于小尺度结构变形的贴片天线，通过数值分析软件建立面形误差模型，提取面形误差模型的节点坐标数据。
如图3所示，在本发明实施例中，选用的贴片天线为同轴馈电式矩形贴片天线，介质材料选用FR4环氧树脂板，给定中心频率为2.45GHz。具体结构参数如下表所示：
表1
S102，将该节点坐标数据导入三维实体建模软件，建立形面误差模型的三维实体模型，实现形面误差模型到实体模型的转化。
作为本发明一个具体的实施例，利用SolidWorks软件中新建零件工程，“曲线”功能菜单中选择“通过xyz点的曲线”，选择坐标文本文件，确认插入曲线，并将上述步骤得到的所有曲线数据均导入到零件工程中，得到如图4所示的高斯函数误差面的曲线图，选择“曲面”功能菜单中的放样曲面，依次选中各个曲线，将曲线图转化为如图6所示的曲面实体模型，实现小尺度变形网格模型到实体模型的转化。
S103，利用电磁仿真软件，将该三维实体模型与天线模型结合，实现仿真分析。
可选地，形面误差模型为高斯误差函数，运用MATLAB软件建立函数模型，从各坐标轴矩阵中提取坐标数据，以表格形式将该坐标数据存入Excel中。
其中，贴片天线生产加工过程复杂，对于该种结构，小尺度变形主要取决于材料的材料属性、生产工艺、加工流程等方面。本发明实施例选高斯误差函数作为经典的误差函数，符合基本的材料表面特征。
作为本发明一个具体的实施例，高斯误差函数运用MATLAB软件的peaks命令建立，surf命令绘制，参数设置为50，分别在X、Y、Z的坐标轴矩阵中查看坐标数据，并按坐标轴将坐标数据分别保存在Excel文件中，提取同一平面的坐标数据以避免拟合时不同曲线的粘连，共计50条曲线数据。
可选地，从该坐标数据中可以提取出多条同一平面内的曲线，将每条曲线的坐标数据以txt格式分别存储。
其中，由于数据格式的不同，SolidWorks软件会出现无法直接导入Excel文件的情况，因此需要将50条曲线数据另存为txt格式以保证SolidWorks软件可以直接导入。
可选地，将该节点坐标数据导入三维实体建模软件，建立形面误差模型的三维实体模型包括：
在SolidWorks软件中选用“通过点的曲线”功能，导入该坐标数据，得到高斯误差函数误差面的曲线；
利用SolidWorks软件的放样曲面功能，依次选中各个曲线，将各个曲线转化为曲面实体模型。
可选地，利用电磁仿真软件，将该三维实体模型与天线模型结合，实现仿真分析包括：
将该三维实体模型保存为step格式；
在三维高频电磁场仿真工具HFSS中导入所述三维实体模型，运用三维高频电磁场仿真工具HFSS的曲面扫描、布尔运算操作完成三维实体模型与天线模型的结合，实现仿真分析。
作为本发明一个具体的实施例，将步骤S102中得到的三维实体模型保存为step格式，新建HFSS工程，在modeler中选择import命令，导入三维实体模型，用曲面扫描功能将曲面实体变成三维实体，用布尔运算建立如图7所示的与贴片天线介质基板厚度相同的介质基板模型块，对该介质模型块进行一定的阵列排列，建立如图8所示的与原介质基板同等尺寸的附加小尺度形面实体模型的基板模型，并预留出贴片位置，以该基板模型为基础，完成天线其他结构的建模，最终得到如图9所示的天线电磁仿真模型。
如图2所示，本发明实施例提供的另一种基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法包括以下步骤：
S201，对于大尺度结构变形的贴片天线介质基板，通过力学仿真分析软件仿真得到该贴片天线介质基板的点云数据。
大尺度结构变形主要在天线的使用过程中产生，由于贴片天线的服役环境较为复杂，环境温度、机械振动、气动冲击等均会造成天线基板形貌的改变，可以用Ansysworkbench软件进行模拟。本发明实施例以静态载荷造成的结构变形为例。
S202，将该点云数据导入三维实体建模软件，对贴片天线介质基板的第一实体模型进行重构，生成该贴片天线介质基板的第二实体模型。
S203，利用电磁仿真软件，将该第二实体模型与天线模型结合，实现仿真分析。
可选地，通过力学仿真分析软件仿真得到所述贴片天线介质基板的点云数据包括：
在三维高频电磁场仿真工具HFSS中建立贴片天线介质基板模型，保存为step格式；
在仿真分析软件ANSYS workbench中新建静力学分析Static Structural项目，在静力学分析Static Structural项目的几何工具Geometry中导入所述贴片天线介质基板模型，得到所述贴片天线介质基板模型的仿真结果；
将静力学分析Static Structural项目中的方法信息Solution information另存为dat格式并利用参数化设计语言APDL，获取所述贴片天线介质基板模型的形变仿真结果中网格节点坐标，将所述网格节点坐标保存为list格式；
将所述贴片天线介质基板模型的形变仿真结果中的网格节点形变量DirectionalDeformation导出为Excel文件；
所述网格节点形变量Directional Deformation与所述网格节点坐标相加，得到变形后的网格节点坐标；
将所述网格节点坐标分三个平面提取出来，作为点云数据并将所述点云数据保存为txt格式。
作为本发明一个具体的实施例，通过三维高频电磁场仿真工具HFSS中建立贴片天线介质基板模型，将该贴片天线介质基板模型保存为step格式，打开Ansys workbench软件，创建一个Static Structural项目，在Geometry中导入天线介质基板模型，然后进入Model界面进行网格划分、约束及载荷的加载，其中，约束选择“Fixed Support”，施加在介质基板的四个顶点，载荷选择“Pressure”，在求解选项中既添加整体的形变图，也添加各坐标轴的形变图，运行分析得到如图10所示的贴片天线介质基板形变仿真结果，采用WriteInput File命令将Static Structural项目中的方法信息Solution information(结构分析文件)另存为dat格式，在参数化设计语言APDL中用Read Input From命令读取该文件，得到如图11所示的贴片天线介质基板网格点图，用“List”菜单栏的“nodes”命令可以得到所有网格节点的坐标，将网格节点坐标数据保存为list格式并在Excel软件中打开，将贴片天线介质基板形变仿真结果中的网格节点形变量Directional Deformation导出为Excel文件并与网格节点坐标数据相加，得到变形后网格点坐标，分三个平面提取坐标数据，作为点云数据并将该点云数据保存为txt格式。
可选地，将所述点云数据导入三维实体建模软件，对贴片天线介质基板的第一实体模型进行重构，生成所述贴片天线介质基板的第二实体模型包括：
把所述点云数据拖到SolidWorks软件，识别点云数据并显示点云图像；
激活SolidWorks软件的网格处理向导功能，进入曲面向导，完成三个曲面的拟合；
使用SolidWorks软件的放样凸台功能，依次选中拟合后的三个曲面，生成所述贴片天线介质基板的第二实体模型，完成点云数据到实体模型转化并将该实体模型保存为step格式。
作为本发明一个具体的实施例，利用SolidWorks软件新建工程，把得到的点云数据拖拽到SolidWorks工程界面，可直接识别点云数据并显示如图12所示的大尺度变形贴片天线点云数据图像，激活SolidWorks软件的逆向工程功能“网格处理向导”，进入“曲面向导”阶段，选择“自动生成”选项完成曲面的拟合，在同一工程中连续拟合三个曲面，得到如图13所示的曲面拟合结果，使用SolidWorks软件的放样凸台功能，依次选中上述三个曲面，最终生成实体模型，完成受载变形后基板模型的重建，实现大尺度变形贴片天线点云数据到如图14所示的实体模型转化并将该实体模型保存为step格式。
可选地，利用电磁仿真软件，将该第二实体模型与天线模型结合，实现仿真分析包括：
在三维高频电磁场仿真工具HFSS中导入第二实体模型；
运用平面模型之间的相交操作，建立辐射贴片和接地平面模型，完成第二实体模型与天线模型的结合，实现仿真分析。
作为一个具体的实施例，新建HFSS工程，在modeler中选择import命令，导入第二实体模型，运用模型之间的布尔相交操作建立辐射贴片和接地平面模型，完成大尺度结构变形模型与天线模型的结合，最终得到如图15所示的贴片天线电磁仿真模型。
本发明实施例提供的基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，提供小尺度结构变形和大尺度结构变形下的贴片天线机电分析方法，既可以仿真分析贴片天线生产过程中产生小尺度表面粗糙度误差后的电磁性能，也可以仿真分析贴片天线在服役环境中因受力、受热产生大尺度结构变形后的电磁性能，应用范围广泛，工程适用性好；通过采用实体模型转化的方式，将产生结构变形的贴片天线对应的多边形网格模型以实体模型的方式导入电磁仿真软件中，与网格模型相比，实体模型在电磁分析过程中的兼容性和可操作性更强，能够对多尺度结构变形的贴片天线进行重构，可以使用电磁分析软件自由地进行网格划分和仿真分析，能够实现实体模型在不同分析软件之间的转化，准确完成贴片天线结构变形后模型的重构和电磁仿真过程，不仅可以为贴片天线远场辐射性能的分析提供技术支持，而且在雷达、通信等无线技术领域具有重要的工程应用价值。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (9)
1.一种基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
对于小尺度结构变形的贴片天线，通过数值分析软件建立面形误差模型，提取面形误差模型的节点坐标数据；
将所述节点坐标数据导入三维实体建模软件，建立形面误差模型的三维实体模型，实现形面误差模型到实体模型的转化；
利用电磁仿真软件，将所述三维实体模型与天线模型结合，实现仿真分析。
2.根据权利要求1所述的基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，其特征在于，所述形面误差模型为高斯误差函数，运用MATLAB软件建立函数模型，从各坐标轴矩阵中提取坐标数据，以表格形式将所述坐标数据存入Excel中。
3.根据权利要求1所述的基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，其特征在于，从所述坐标数据中可以提取出多条同一平面内的曲线，将每条曲线的坐标数据以txt格式分别存储。
4.根据权利要求1所述的基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，其特征在于，将所述节点坐标数据导入三维实体建模软件，建立形面误差模型的三维实体模型包括：
在SolidWorks软件中选用“通过点的曲线”功能，导入所述坐标数据，得到高斯误差函数误差面的曲线；
利用SolidWorks软件的放样曲面功能，依次选中所述曲线，将所述曲线转化为曲面实体模型。
5.根据权利要求1所述的基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，其特征在于，利用电磁仿真软件，将所述三维实体模型与天线模型结合，实现仿真分析包括：
将所述三维实体模型保存为step格式；
在三维高频电磁场仿真工具HFSS中导入所述三维实体模型，运用三维高频电磁场仿真工具HFSS的曲面扫描、布尔运算操作完成三维实体模型与天线模型的结合，实现仿真分析。
6.一种基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
对于大尺度结构变形的贴片天线介质基板，通过力学仿真分析软件仿真得到所述贴片天线介质基板的点云数据；
将所述点云数据导入三维实体建模软件，对所述贴片天线介质基板的第一实体模型进行重构，生成所述贴片天线介质基板的第二实体模型；
利用电磁仿真软件，将所述实体模型与天线模型结合，实现仿真分析。
7.根据权利要求6所述的基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，其特征在于，通过力学仿真分析软件仿真得到所述贴片天线介质基板的点云数据包括：
在三维高频电磁场仿真工具HFSS中建立贴片天线介质基板模型，保存为step格式；
在仿真分析软件ANSYS workbench中新建静力学分析Static Structural项目，在静力学分析Static Structural项目的几何工具Geometry中导入所述贴片天线介质基板模型，得到所述贴片天线介质基板模型的仿真结果；
将静力学分析Static Structural项目中的方法信息Solution information另存为dat格式并利用参数化设计语言APDL，获取所述贴片天线介质基板模型的形变仿真结果中网格节点坐标，将所述网格节点坐标保存为list格式；
将所述贴片天线介质基板模型的形变仿真结果中的网格节点形变量DirectionalDeformation导出为Excel文件；
所述网格节点形变量DirectionalDeformation与所述网格节点坐标相加，得到变形后的网格节点坐标；
将所述网格节点坐标分三个平面提取出来，作为点云数据并将所述点云数据保存为txt格式。
8.根据权利要求6所述的基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，其特征在于，将所述点云数据导入三维实体建模软件，对贴片天线介质基板的第一实体模型进行重构，生成所述贴片天线介质基板的第二实体模型包括：
把所述点云数据拖到SolidWorks软件，识别点云数据并显示点云图像；
激活SolidWorks软件的网格处理向导功能，进入曲面向导，完成三个曲面的拟合；
使用SolidWorks软件的放样凸台功能，依次选中拟合后的三个曲面，生成所述贴片天线介质基板的第二实体模型，完成点云数据到实体模型转化并将所述第二实体模型保存为step格式。
9.根据权利要求6所述的基于实体模型转化的贴片天线机电分析方法，其特征在于，利用电磁仿真软件，将所述实体模型与天线模型结合，实现仿真分析包括：
在三维高频电磁场仿真工具HFSS中导入所述第二实体模型；
运用平面模型之间的相交操作，建立辐射贴片和接地平面模型，完成所述第二实体模型与天线模型的结合，实现仿真分析。
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| CN114722477A (zh) * | 2022-04-27 | 2022-07-08 | 十九冶成都建设有限公司 | 曲线钢箱桥梁生成曲线方式自顶向下的bim设计方法 |
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| CN111664816A (zh) * | 2020-07-13 | 2020-09-15 | 上海交通大学 | Qtt天线主反射面变形检测方法、校正方法及检测装置 |
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2020
- 2020-09-18 CN CN202010986746.XA patent/CN112231896B/zh active Active
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