CN114280957A - 一种射频阵列的数字化建模方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频阵列的数字化建模方法及系统。方法包括：获取射频阵列方位角、俯仰角及单元间距等特征参数，根据特征参数计算阵列上空间节点的三维坐标，根据阵列上节点的三维空间坐标分别计算节点连杆尺寸、屏蔽三角板尺寸以及节点圆筒尺寸，实现射频阵列的数字化建模。本发明以射频阵列的数学模型为基础，以阵列结构的特征参数为驱动，实现了射频阵列的数字化快速建模，获得的射频阵列模型具有精度高、设计开发周期短、节约人力成本等特点。

Description

一种射频阵列的数字化建模方法及系统
技术领域
本发明属于建模技术领域，特别涉及一种射频阵列的数字化建模方法及系统。
背景技术
射频阵列主要用于微波暗室进行半实物仿真试验，用于安装阵列天线。根据不同的频段以及视场角要求，需要设置不同频段的阵列天线，天线设置的数量会根据视场角以及单元间距来确定，少则几十、几百，多则上千节点。因此射频阵列的建模过程具有工作量大、建模周期长的特点。现阶段对射频阵列的建模方法多采用商用三维建模软件建立三维模型，再将三维模型拆解为单个零件图，用于生产制造，仍然存在开发周期长的问题。
发明内容
本发明主要针对射频阵列建模周期长、工作量大、效率低等问题，提出一种射频阵列的数字化建模方法及系统，利用射频阵列不同位置的几何关系，通过数学模型直接刻画出不同零件的尺寸特征，实现以特征尺寸驱动的数字化建模过程。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一方面，一种射频阵列的数字化建模方法，包括：
获取射频阵列水平方向上的方位角、竖直方向上的俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距；
根据获取的方位角、俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距，计算射频阵列上微波节点和毫米波节点的三维空间坐标；
根据微波节点的三维空间坐标及节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸；
根据彼此相邻的三个微波节点的三维空间坐标计算屏蔽板尺寸；
根据微波节点与毫米波节点之间的位置关系，计算屏蔽板上毫米波的开孔位置；
根据节点圆筒与周围节点圆筒之间的位置关系，计算节点圆筒上安装孔之间的角度关系；
根据阵列天线的特征和计算出的阵列连杆尺寸、屏蔽板尺寸、屏蔽板上毫米波的开孔位置和节点圆筒上安装孔之间的角度关系，绘制阵列连杆、屏蔽板和节点圆筒的矢量图，完成射频阵列的数字化建模。
进一步地，所述根据获取的方位角、俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距，计算射频阵列上微波节点和毫米波节点的三维空间坐标，包括：
根据射频阵列水平方向上的方位角、竖直方向上的俯仰角以及微波节点单元间距，计算微波节点的俯仰角；
根据射频阵列水平方向上的方位角、竖直方向上的俯仰角以及毫米波节点单元间距，计算毫米波节点的俯仰角。
进一步地，微波节点和毫米波节点的三维空间坐标，根据以下公式计算：
x＝R·cos(α)·sin(β)
y＝R·sin(α)
z＝R·cos(α)·cos(β)
式中，α为微波节点或毫米波节点的俯仰角，β为微波节点或毫米波节点的方位角，R为阵列球半径。
进一步地，所述根据微波节点的三维空间坐标及节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸，包括：
根据微波节点的三维空间坐标及其邻近微波节点的三维空间坐标计算相邻微波节点间距；
根据相邻微波节点间距及节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸。
进一步地，所述相邻微波节点包括水平相邻节点和斜向相邻节点。
进一步地，所述根据微波节点的三维空间坐标及节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸，具体包括：
假设微波节点P1及其邻近微波节点P2的坐标分别为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，球心P0的坐标为(x0，y0，z0)，则有
Figure BDA0003426562560000031
得平面方程(x-x1)a+(y-y1)b+(z-z1)c＝0，此时的P1-S1空间直线一般方程为：
Figure BDA0003426562560000041
法向量分别为：
Figure BDA0003426562560000042
和
Figure BDA0003426562560000043
则
Figure BDA0003426562560000044
此时将空间直线一般方程参数化，已知该直线上任意一点P1＝(x1,y1,z1)，则有：
Figure BDA0003426562560000045
参数化方程为：
Figure BDA0003426562560000046
已知原点坐标(x1,y1,z1)和半径r，求得：
(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2＝r2
带入参数化方程可求得t值，从而求得S1坐标，同理求得S2坐标，S1和S2之间的长度为连杆长度。
进一步地，所述微波节点与毫米波节点之间的位置关系为：毫米波节点单元间距与微波节点单元间距相等，或毫米波节点单元间距为微波节点单元间距的一半。
进一步地，所述根据节点圆筒与周围节点圆筒之间的位置关系，计算节点圆筒上安装孔之间的角度关系，包括：
将节点圆筒与相邻的两个节点圆筒之间分别组成向量；
计算两个向量的夹角，得到节点圆筒上安装孔之间的角度关系。
进一步地，所述节点圆筒上安装孔之间的角度关系通过以下公式计算：
Figure BDA0003426562560000047
式中，
Figure BDA0003426562560000051
和
Figure BDA0003426562560000052
分别为节点圆筒与相邻两个节点圆筒之间组成的向量。
另一方面，一种射频阵列的数字化建模系统，包括：
获取模块，配置为获取射频阵列水平方向上的方位角、竖直方向上的俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距；
第一计算模块，配置为根据获取的方位角、俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距，计算射频阵列上微波节点和毫米波节点的三维空间坐标；
第二计算模块，配置为根据微波节点的三维空间坐标及节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸；
第三计算模块，配置为根据彼此相邻的三个微波节点的三维空间坐标计算屏蔽板尺寸；
第四计算模块，根据微波节点与毫米波节点之间的位置关系，计算屏蔽板上毫米波的开孔位置；
第五计算模块，配置为根据节点圆筒与周围节点圆筒之间的位置关系，计算节点圆筒上安装孔之间的角度关系；
模型构建模块，配置为根据阵列天线的特征和计算出的阵列连杆尺寸、屏蔽板尺寸、屏蔽板上毫米波的开孔位置和节点圆筒上安装孔之间的角度关系，绘制阵列连杆、屏蔽板和节点圆筒的矢量图，完成射频阵列的数字化建模。
与其他三维建模方法相比，本发明的有益技术效果为：
1)本发明射频阵列的数字化建模是基于结构本身的数学模型进行的计算推导，获得的模型尺寸精度更高；
2)利用推导出的射频阵列数学模型可以直接计算出不同位置的特征尺寸，并利用特征尺寸直接绘制矢量图，避免了中间手动的建模过程，开发设计效率幅度提高；
3)射频阵列的数学模型是通过特征值推导出来的，因此该数学模型的使用只需要输入几个需要的特征值，即可获得需要的结果，操作非常简单；
4)传统的采用三维建模软件设计射频阵列需要几周的开发周期，采用本发明仅需要几分钟时间，极大的缩短开发周期，降低了人员成本；
5)本发明能够适用于不同类型、不同尺寸的射频阵列的快速建模。
附图说明
图1是本发明实施例的一种射频阵列的数字化建模方法流程图；
图2是射频阵列的三维模型；
图3为节点间连杆长度计算示意图；
图4为最终生成的屏蔽板零件图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如前所述，射频阵列的建模过程具有工作量大、建模周期长的特点。传统的采用三维建模软件设计射频阵列需要几周的开发周期，存在开发周期长的问题。为此，本发明提供了一种射频阵列的数字化建模方法。
结合图1所示，一种射频阵列的数字化建模方法，包括：
步骤S1、获取射频阵列水平方向上的方位角、竖直方向上的俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距；
不同的射频阵列具有不同的球半径、不同的俯仰角和方位角。根据不同的需求，射频阵列可以具有不同的形式，例如如图2所示的圆形阵列形式，也可以为矩形阵列等形式。
步骤S2、根据获取的方位角、俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距，计算射频阵列上微波节点和毫米波节点的三维空间坐标；
该步骤具体包括：
步骤S201，根据射频阵列水平方向上的方位角、竖直方向上的俯仰角以及微波节点单元间距，计算微波节点的俯仰角；
步骤S202，根据射频阵列水平方向上的方位角、竖直方向上的俯仰角以及毫米波节点单元间距，计算毫米波节点的俯仰角。
其中，微波节点和毫米波节点的三维空间坐标，可以根据以下公式计算得到：
x＝R·cos(α)·sin(β)
y＝R·sin(α)
z＝R·cos(α)·cos(β)
式中，α为微波节点或毫米波节点的俯仰角，β为微波节点或毫米波节点的方位角，R为阵列球半径。
步骤S3、根据微波节点的三维空间坐标及节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸；
该步骤具体包括：
步骤S301，根据微波节点的三维空间坐标及其邻近微波节点的三维空间坐标计算相邻微波节点间距；
其中，相邻微波节点包括水平相邻节点和斜向相邻节点。
计算公式如下：
Figure BDA0003426562560000081
其中，(x1,y1,z1)和(x2,y2z2)为阵列上任意相邻微波节点的三维坐标，d为相邻微波节点间距。
步骤S302，根据相邻微波节点间距及节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸。
如图3所示，假设微波节点P1及其邻近微波节点P2的坐标分别为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，球心P0的坐标为(x0，y0，z0)，则有
Figure BDA0003426562560000082
进而求得平面方程(x-x1)a+(y-y1)b+(z-z1)c＝0，此时的P1-S1空间直线一般方程为：
Figure BDA0003426562560000091
法向量分别为：
Figure BDA0003426562560000092
和
Figure BDA0003426562560000093
则
Figure BDA0003426562560000094
此时将空间直线一般方程参数化，已知该直线上任意一点P1＝(x1,y1,z1)，则有：
Figure BDA0003426562560000095
参数化方程为：
Figure BDA0003426562560000096
已知原点坐标(x1,y1,z1)和半径r，求得：
(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2＝r2
带入参数化方程可求得t值，从而求得S1坐标，同理求得S2坐标，S1和S2之间的长度为连杆长度。
步骤S4、根据彼此相邻的三个微波节点的三维空间坐标计算屏蔽板尺寸；
利用相邻三元组的微波节点空间坐标(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)，计算屏蔽三角板三边的长度。
步骤S5、根据微波节点与毫米波节点之间的位置关系，计算屏蔽板上毫米波的开孔位置；
其中，微波节点与毫米波节点之间的位置关系为：毫米波节点单元间距与微波节点单元间距相等，或毫米波节点单元间距为微波节点单元间距的一半。
步骤S6、根据节点圆筒与周围节点圆筒之间的位置关系，计算节点圆筒上安装孔之间的角度关系；
将节点圆筒与相邻的两个节点圆筒之间分别组成向量，计算两个向量的夹角，得到节点圆筒上安装孔之间的角度关系。
其中，节点圆筒上安装孔之间的角度关系通过以下公式计算：
Figure BDA0003426562560000101
式中，
Figure BDA0003426562560000102
和
Figure BDA0003426562560000103
分别为节点圆筒与相邻两个节点圆筒之间组成的向量。
步骤S7、根据阵列天线的特征和计算出的阵列连杆尺寸、屏蔽板尺寸、屏蔽板上毫米波的开孔位置和节点圆筒上安装孔之间的角度关系，绘制阵列连杆、屏蔽板和节点圆筒的矢量图，完成射频阵列的数字化建模。
根据计算出的各零件的特征尺寸，按需求比例绘制零件的矢量图，完成射频阵列的数字化建模。
下面将结合具体实例并结合附图对本发明做进一步描述。本实例针对圆形射频阵列进行数字化建模，阵列的具体特征参数如下表所示：
类型 方位角 俯仰角 微波方位间距 毫米波方位间距 节点圆筒直径
圆形 ±15° ±15° 40mrad 20mrad 193mm
根据射频阵列的方位角、俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距，计算射频阵列上微波节点和毫米波节点的三维空间坐标。
根据微波节点的三维空间坐标及规定的节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸。
根据彼此相邻的三个微波节点的三维空间坐标计算屏蔽板尺寸。
根据微波节点与毫米波节点之间的位置关系，计算屏蔽板上毫米波的开孔位置。
根据节点圆筒与周围节点圆筒之间的位置关系，计算节点圆筒上安装孔之间的角度关系。
根据计算出的各零件的特征尺寸，按需求比例绘制零件的矢量图，如图4所示最终生成的屏蔽板零件图。
本发明射频阵列的数字化建模是基于结构本身的数学模型进行的计算推导，获得的模型尺寸精度更高。
利用推导出的射频阵列数学模型可以直接计算出不同位置的特征尺寸，并利用特征尺寸直接绘制矢量图，避免了中间手动的建模过程，开发设计效率幅度提高。
射频阵列的数学模型是通过特征值推导出来的，因此该数学模型的使用只需要输入几个需要的特征值，即可获得需要的结果，操作非常简单。
传统的采用三维建模软件设计射频阵列需要几周的开发周期，采用本发明仅需要几分钟时间，极大的缩短开发周期，降低了人员成本。
通过以上实施例可以看出，本发明的一种射频阵列的数字化建模方法完全能够用于不同类型、不同尺寸的射频阵列的快速建模开发，真正做到了高效、便捷。
在另一实施例中，一种射频阵列的数字化建模系统，包括：
获取模块，配置为获取射频阵列水平方向上的方位角、竖直方向上的俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距；
第一计算模块，配置为根据获取的方位角、俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距，计算射频阵列上微波节点和毫米波节点的三维空间坐标；
第二计算模块，配置为根据微波节点的三维空间坐标及节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸；
第三计算模块，配置为根据彼此相邻的三个微波节点的三维空间坐标计算屏蔽板尺寸；
第四计算模块，根据微波节点与毫米波节点之间的位置关系，计算屏蔽板上毫米波的开孔位置；
第五计算模块，配置为根据节点圆筒与周围节点圆筒之间的位置关系，计算节点圆筒上安装孔之间的角度关系；
模型构建模块，配置为根据阵列天线的特征和计算出的阵列连杆尺寸、屏蔽板尺寸、屏蔽板上毫米波的开孔位置和节点圆筒上安装孔之间的角度关系，绘制阵列连杆、屏蔽板和节点圆筒的矢量图，完成射频阵列的数字化建模。
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种射频阵列的数字化建模方法，其特征在于，包括：
获取射频阵列水平方向上的方位角、竖直方向上的俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距；
根据获取的方位角、俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距，计算射频阵列上微波节点和毫米波节点的三维空间坐标；
根据微波节点的三维空间坐标及节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸；
根据彼此相邻的三个微波节点的三维空间坐标计算屏蔽板尺寸；
根据微波节点与毫米波节点之间的位置关系，计算屏蔽板上毫米波的开孔位置；
根据节点圆筒与周围节点圆筒之间的位置关系，计算节点圆筒上安装孔之间的角度关系；
根据阵列天线的特征和计算出的阵列连杆尺寸、屏蔽板尺寸、屏蔽板上毫米波的开孔位置和节点圆筒上安装孔之间的角度关系，绘制阵列连杆、屏蔽板和节点圆筒的矢量图，完成射频阵列的数字化建模。
2.根据权利要求1所述的一种射频阵列的数字化建模方法，其特征在于，所述根据获取的方位角、俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距，计算射频阵列上微波节点和毫米波节点的三维空间坐标，包括：
根据射频阵列水平方向上的方位角、竖直方向上的俯仰角以及微波节点单元间距，计算微波节点的俯仰角；
根据射频阵列水平方向上的方位角、竖直方向上的俯仰角以及毫米波节点单元间距，计算毫米波节点的俯仰角。
3.根据权利要求2所述的一种射频阵列的数字化建模方法，其特征在于，微波节点和毫米波节点的三维空间坐标，根据以下公式计算：
x＝R·cos(α)·sin(β)
y＝R·sin(α)
z＝R·cos(α)·cos(β)
式中，α为微波节点或毫米波节点的俯仰角，β为微波节点或毫米波节点的方位角，R为阵列球半径。
4.根据权利要求1所述的一种射频阵列的数字化建模方法，其特征在于，所述根据微波节点的三维空间坐标及节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸，包括：
根据微波节点的三维空间坐标及其邻近微波节点的三维空间坐标计算相邻微波节点间距；
根据相邻微波节点间距及节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸。
5.根据权利要求4所述的一种射频阵列的数字化建模方法，其特征在于，所述相邻微波节点包括水平相邻节点和斜向相邻节点。
6.根据权利要求4所述的一种射频阵列的数字化建模方法，其特征在于，所述根据微波节点的三维空间坐标及节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸，具体包括：
假设微波节点P1及其邻近微波节点P2的坐标分别为(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，球心P0的坐标为(x0，y0，z0)，则有
Figure FDA0003426562550000031
得平面方程(x-x1)a+(y-y1)b+(z-z1)c＝0，此时的P1-S1空间直线一般方程为：
Figure FDA0003426562550000032
法向量分别为：
Figure FDA0003426562550000033
和
Figure FDA0003426562550000034
则
Figure FDA0003426562550000035
此时将空间直线一般方程参数化，已知该直线上任意一点P1＝(x1,y1,z1)，则有：
Figure FDA0003426562550000036
参数化方程为：
Figure FDA0003426562550000037
已知原点坐标(x1,y1,z1)和半径r，求得：
(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2＝r2
带入参数化方程可求得t值，从而求得S1坐标，同理求得S2坐标，S1和S2之间的长度为连杆长度。
7.根据权利要求1所述的一种射频阵列的数字化建模方法，其特征在于，所述微波节点与毫米波节点之间的位置关系为：毫米波节点单元间距与微波节点单元间距相等，或毫米波节点单元间距为微波节点单元间距的一半。
8.根据权利要求1所述的一种射频阵列的数字化建模方法，其特征在于，所述根据节点圆筒与周围节点圆筒之间的位置关系，计算节点圆筒上安装孔之间的角度关系，包括：
将节点圆筒与相邻的两个节点圆筒之间分别组成向量；
计算两个向量的夹角，得到节点圆筒上安装孔之间的角度关系。
9.根据权利要求8所述的一种射频阵列的数字化建模方法，其特征在于，所述节点圆筒上安装孔之间的角度关系通过以下公式计算：
Figure FDA0003426562550000041
式中，
Figure FDA0003426562550000042
和
Figure FDA0003426562550000043
分别为节点圆筒与相邻两个节点圆筒之间组成的向量。
10.一种射频阵列的数字化建模系统，其特征在于，包括：
获取模块，配置为获取射频阵列水平方向上的方位角、竖直方向上的俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距；
第一计算模块，配置为根据获取的方位角、俯仰角、微波节点单元间距、毫米波节点单元间距，计算射频阵列上微波节点和毫米波节点的三维空间坐标；
第二计算模块，配置为根据微波节点的三维空间坐标及节点圆筒直径计算阵列连杆的尺寸；
第三计算模块，配置为根据彼此相邻的三个微波节点的三维空间坐标计算屏蔽板尺寸；
第四计算模块，根据微波节点与毫米波节点之间的位置关系，计算屏蔽板上毫米波的开孔位置；
第五计算模块，配置为根据节点圆筒与周围节点圆筒之间的位置关系，计算节点圆筒上安装孔之间的角度关系；
模型构建模块，配置为根据阵列天线的特征和计算出的阵列连杆尺寸、屏蔽板尺寸、屏蔽板上毫米波的开孔位置和节点圆筒上安装孔之间的角度关系，绘制阵列连杆、屏蔽板和节点圆筒的矢量图，完成射频阵列的数字化建模。
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