CN113065255B - 弧度变形的共形微带贴片天线方向图快速估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及共形天线技术，尤其涉及一种弧度变形的共形微带贴片天线方向图快速估算方法，依次包括对介质板上的微带贴片天线建模步骤、仿真微带贴片天线模型，并得到辐射电参数值的步骤、曲线拟合确定曲面微带贴片天线的H面方向图函数的步骤及得到曲面微带贴片阵列形成的共形天线的H面方向图及方向图函数步骤，为受到形变影响的贴片微带天线提供了一种有效的天线方向快速估算方法。通过对不同程度形变天线的仿真，获取天线辐射方向图数据，从而进行曲线拟合，得到天线H面方向图函数公式，使得可以通过该公式快速计算变形共形微带贴片天线阵列远场H面方向图。计算变形微带天线方向图时，可套用本发明提出的该公式实现快速计算。

Description

弧度变形的共形微带贴片天线方向图快速估算方法

技术领域

本发明涉及共形天线技术，尤其涉及微带贴片天线方向图的快速估算。

背景技术

共形天线是一种与载体平台结构一致天线结构形式，既具有结构承载功能，又具有电磁信号的收发能力。共形天线作为飞艇、机翼等飞行器蒙皮结构，将直接承受振动、冲击等环境载荷的作用，进而不可避免地产生结构变形，而嵌入其中的共形天线性能也将变化，继而影响飞行器在动态服役环境中的探测距离、抗干扰性和成像清晰度等性能。

国内外对结构因素对阵列天线电性能影响方面开展了较多研究，但重要的研究成果保密。国外的H.S.C.Wang等人深入研究了工程实际中两种典型的阵面变形方式对天线电性能的影响。A.Ossowska等指出了高分辨率宽测绘带合成孔径雷达阵面变形的三种形式，分别为对称变形、非对称变形以及随机变形，并研究这些阵面结构变形对高分辨率宽测绘带合成孔径雷达电性能的影响。国内西安电子科技大学的电子装备结构教育部重点实验室对阵列天线的多场耦合理论及技术进行了深入的研究，给出了阵列天线电磁辐射场、温度场、结构位移场之间的三场耦合关系，进而分析了环境载荷、阵元安装误差引起的结构变形对阵列天线辐射性能的影响。但上述研究均侧重于分析阵列形变对天线电性能的影响，对阵元形变对天线电性能的影响研究较少。但阵元变形对阵元方向图和增益及天线整体方向图和增益均有不可忽视的影响，但该影响关系较为复杂，不易获得。因此，想要深入研究环境载荷对共形天线性能的影响，便需要一种既考虑阵元变形又考虑阵列变形的共形天线方向图快速估算方法。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种解决共形天线在发生形变后，能够对远场辐射方向图的快速估算的一种弧度变形的共形微带贴片天线方向图快速估算方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种弧度变形的共形微带贴片天线方向图快速估算方法，包括如下步骤：

1)对介质板上的微带贴片天线建模步骤：通过高频电磁仿真软件HFSS进行建模，以平面微带贴片天线的介质板底面边缘中心处为原点o，平面微带贴片宽的延伸方向为x轴，平面微带贴片长的延伸方向为y轴，垂直于xoy平面为z轴，z轴方向为由介质板底面指向介质板表面，在所述坐标系内建立平面微带贴片天线的模型；

同时，将平面微带贴片天线的介质板及平面微带贴片进行不同弧度的变形，形成曲面微带贴片天线，呈弧度变形的平面微带贴片为曲面微带贴片；以介质板变形弧度圆心为原点o，x、y、z轴与平面微带贴片天线一致，在所述坐标系内建立曲面微带贴片天线的模型；

2)仿真辐射方向图步骤：采用高频电磁仿真软件HFSS，对步骤1)建立的平面微带贴片天线模型和曲面微带贴片天线模型进行仿真，并在HFSS软件上生成平面微带贴片天线和曲面微带贴片天线的远场H面方向图，即可得到曲面微带贴片天线在不同变形弧度的半径r下，辐射方向矢量在与z轴夹角为90°的平面上与x轴夹角为-180°～180°上的每个角度的辐射电参数值；

3)曲线拟合确定曲面微带贴片天线的H面方向图函数步骤：使用Matlab对步骤2)得到的不同变形弧度的曲面微带贴片天线的远场H面方向图的电参数进行分析，通过曲线拟合得到描述曲面微带贴片天线形变程度的函数f(Δr)，此时即可得到所述曲面微带贴片在弧形介质板上的H面方向图函数通式：

公式中的

其中，r为所述曲面微带贴片的弧度半径，λ为曲面微带贴片的工作波长；

k为波矢，w为曲面贴片的宽；

4)得到曲面微带贴片天线阵列的H面方向图函数步骤：由步骤3)已得到曲面微带贴片天线的H面方向图函数，由所述的曲面微带贴片天线以不同排列方式组成共形微带贴片天线阵，对共形微带贴片天线阵进行数学分析，将天线阵中每个曲面微带贴片天线的辐射场进行矢量叠加再进行归一化处理，得到共形微带贴片天线阵的方向图函数，最终通过共形微带贴片天线阵的方向图函数，并画出天线阵列的H面方向图。

进一步的，所述的步骤3)中得到的曲面微带贴片天线的H面方向图函数是在已知的平面微带贴片天线的H面方向图函数基础上得到的，所述的平面微带贴片天线的H面方向图函数为：

进一步的，所述的步骤4)中所述的归一化处理指将叠加后得到的场函数除以它的最大值。

进一步的，所述的介质板为圆柱状或圆球状的介质板。

本发明的有益效果是：本发明为受到形变影响的贴片微带天线提供了一种有效的快速估算方法。通过对不同程度形变天线的仿真，获取天线辐射方向图数据，从而进行曲线拟合，得到天线H面方向图函数公式，使得可以通过该公式快速计算变形共形微带贴片天线阵列远场H面方向图。计算变形微带天线方向图时，可套用本发明提出的该公式实现快速计算。

通过本发明提出的方法所得的阵列方向图与实际阵列辐射方向图相比，能够在半功率角范围内与实际方向图较好贴合，实现预测实际方向图，以此证明了本发明的有效性。

附图说明

图1是发明的总体流程图；

图2是平面贴片天线模型图；

图3是天线共形在r＝30mm的圆柱体上的模型图；

图4是天线共形在r＝60mm的圆柱体上的模型图；

图5是天线共形在r＝80mm的圆柱体上的模型图；

图6是天线共形在r＝30mm的圆柱体上的H面方向图；

图7是天线共形在r＝60mm的圆柱体上的H面方向图；

图8是天线共形在r＝80mm的圆柱体上的H面方向图；

图9是天线共形在r＝80mm的圆柱体上的实际方向图与测算方向图对比；

图10是天线阵共形在r＝120mm的圆柱体上的模型图；

图11是天线阵共形在r＝120mm的圆柱体上的实际方向图与测算方向图对比。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：一种弧度变形的共形微带贴片天线方向图快速估算方法，包括如下步骤：

1)对介质板上的微带贴片天线建模步骤：通过高频电磁仿真软件HFSS进行建模，以平面微带贴片天线的介质板底面边缘中心处为原点o，平面微带贴片宽的延伸方向为x轴，平面微带贴片长的延伸方向为y轴，垂直于xoy平面为z轴，z轴方向为由介质板底面指向介质板表面，在所述坐标系内建立平面微带贴片天线的模型；

同时，将平面微带贴片天线的介质板及平面微带贴片进行不同弧度的变形，形成曲面微带贴片天线，呈弧度变形的平面微带贴片为曲面微带贴片；以介质板变形弧度圆心为原点o，x、y、z轴与平面微带贴片天线一致，在所述坐标系内建立曲面微带贴片天线的模型；

2)仿真辐射方向图步骤：采用高频电磁仿真软件HFSS，对步骤1)建立的平面微带贴片天线模型和曲面微带贴片天线模型进行仿真，并在HFSS软件上生成平面微带贴片天线和曲面微带贴片天线的远场H面方向图，即可得到曲面微带贴片天线在不同变形弧度的半径r下，辐射方向矢量在与z轴夹角为90°的平面上与x轴夹角为-180°～180°上的每个角度的辐射电参数值；

3)曲线拟合确定曲面微带贴片天线的H面方向图函数步骤：使用Matlab对步骤2)得到的不同变形弧度的曲面微带贴片天线的远场H面方向图的电参数进行分析，通过曲线拟合得到描述曲面微带贴片天线形变程度的函数f(Δr)，同时，根据已知平面微带贴片天线的H面方向图函数：

在此函数基础上即可得到所述曲面微带贴片在弧形介质板上的H面方向图函数通式：

公式中的

其中，r为所述曲面微带贴片的弧度半径，λ为曲面微带贴片的工作波长；

k为波矢，w为曲面贴片的宽；

4)得到曲面微带贴片天线阵列的H面方向图函数步骤：由步骤3)已得到曲面微带贴片天线的H面方向图函数，由所述的曲面微带贴片天线以不同排列方式组成共形微带贴片天线阵，对共形微带贴片天线阵进行数学分析，将天线阵中每个曲面微带贴片天线的辐射场进行矢量叠加再进行归一化处理，得到共形微带贴片天线阵的方向图函数，最终通过共形微带贴片天线阵的方向图函数，并画出天线阵列的H面方向图。所述的归一化处理指将叠加后得到的场函数除以它的最大值。

所述的介质板为圆柱状或圆球状的介质板。以下采用圆柱状介质板为实例验证说明本发明：

仿真参数如下：

步骤一:确定共形天线变形方式，对变形类型进行数学建模分析。原平面贴片天线如图2所示，共形后的天线如图3、图4、图5所示。

步骤二：在原有变形方式上，对不同形变程度的贴片天线远场H面方向图进行仿真，得到天线的每个角度的辐射方向图数据。如图6、图7、图8所示。

步骤三：确定变量后，通过曲线拟合构造反映天线形变的函数f(Δr)，得到天线辐射方向图经验公式。跟据形变方式，由于形变程度可以用圆柱半径r表示，令

r为天线所共形的圆柱半径，λ为天线的工作波长。通过曲线拟合，可构造出经验函数

f(Δr)＝-1.571*exp(-2.571*Δr)+1.407

从而得到曲面微带贴片在弧形介质板上的H面方向图函数通式：

k为波矢，w为贴片天线的宽，f(Δr)为前文中提及的反映天线形变的函数。

步骤四：通过上文中得到的曲面微带贴片在弧形介质板上的H面方向图函数通式快速估算12单元等距排列的共形微带贴片天线阵列方向图，如图10所示。根据天线排列方式，可得到阵列方向图，将快速估算的方向图与实际的方向图进行对比，如图11所示。

结果证明：

观察图9可知，以上皆为使用经验公式估算单个共形天线在不同形变程度下的方向图与实际方向图对比，不同形变程度的天线辐射方向图之间存在差异，采用本发明提出的方法，能够在半功率角范围内与实际方向图较好贴合，实现预测实际方向图。

观察图11可知，通过本发明提出的方法所得的阵列方向图与实际阵列辐射方向图相比，能够在半功率角范围内与实际方向图较好贴合，实现预测实际方向图，以此证明了本发明的有效性。利用本发明中提出的一种变形共形天线方向图快速估算方法解决了共形天线发生形变时，远场辐射方向图的快速估算问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种弧度变形的共形微带贴片天线方向图快速估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对介质板上的微带贴片天线建模步骤：通过高频电磁仿真软件HFSS进行建模，以平面微带贴片天线的介质板底面边缘中心处为原点o，平面微带贴片宽的延伸方向为x轴，平面微带贴片长的延伸方向为y轴，垂直于xoy平面为z轴，z轴方向为由介质板底面指向介质板表面，在所述坐标系内建立平面微带贴片天线的模型；

同时，将平面微带贴片天线的介质板及平面微带贴片进行不同弧度的变形，形成曲面微带贴片天线，呈弧度变形的平面微带贴片为曲面微带贴片；以介质板变形弧度圆心为原点o，x、y、z轴与平面微带贴片天线一致，在所述坐标系内建立曲面微带贴片天线的模型；

2)仿真辐射方向图步骤：采用高频电磁仿真软件HFSS，对步骤1)建立的平面微带贴片天线模型和曲面微带贴片天线模型进行仿真，并在HFSS软件上生成平面微带贴片天线和曲面微带贴片天线的远场H面方向图，即可得到曲面微带贴片天线在不同变形弧度的半径r下，辐射方向矢量在与z轴夹角为90°的平面上与x轴夹角为-180°～180°上的每个角度的辐射电参数值；

3)曲线拟合确定曲面微带贴片天线的H面方向图函数步骤：使用Matlab对步骤2)得到的不同变形弧度的曲面微带贴片天线的远场H面方向图的电参数进行分析，通过曲线拟合得到描述曲面微带贴片天线形变程度的函数f(Δr)，此时即可得到所述曲面微带贴片在弧形介质板上的H面方向图函数通式：

公式中的

其中，r为所述曲面微带贴片的弧度半径，λ为曲面微带贴片的工作波长；

k为波矢，w为曲面贴片的宽；

4)得到曲面微带贴片天线阵列的H面方向图函数步骤：由步骤3)已得到曲面微带贴片天线的H面方向图函数，由所述的曲面微带贴片天线以不同排列方式组成共形微带贴片天线阵，对共形微带贴片天线阵进行数学分析，将天线阵中每个曲面微带贴片天线的辐射场进行矢量叠加再进行归一化处理，得到共形微带贴片天线阵的方向图函数，最终通过共形微带贴片天线阵的方向图函数，并画出天线阵列的H面方向图。

2.如权利要求1所述的弧度变形的共形微带贴片天线方向图快速估算方法，其特征在于，所述的步骤3)中得到的曲面微带贴片天线的H面方向图函数是在已知的平面微带贴片天线的H面方向图函数基础上得到的，所述的平面微带贴片天线的H面方向图函数为：

3.如权利要求1所述的弧度变形的共形微带贴片天线方向图快速估算方法，其特征在于，所述的步骤4)中所述的归一化处理指将叠加后得到的场函数除以它的最大值。

4.如权利要求1-3任一所述的弧度变形的共形微带贴片天线方向图快速估算方法，其特征在于，所述的介质板为圆柱状或圆球状的介质板。

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