面向机电耦合的微波天线随机与系统误差的分析与综合

摘要

随着微波天线向着大口径、高频段、高增益、高指向精度的方向发展，机械结构与电磁部分之间的机电耦合问题也越来越突出。本文在机电耦合理论的基础上，以微波天线中的典型案例—反射面天线和阵列天线为研究对象，系统而定量地研究了随机和系统误差对其电性能的影响。
　　建立了计及随机与系统误差时反射面天线的平均功率方向图模型。基于随机误差在反射面上呈距离相关性高斯分布的假设，推导出面板加工误差和与之通过调节螺栓相连的背架安装误差造成的任意两点相位误差之差的均值表达式。结合系统误差导致的馈源轴向偏焦问题，给出了系统误差存在时锥削照射相关函数的解析表达式，进而得出了随机和系统误差共同作用下的平均功率方向图模型。以某6.2米口径反射面天线为例进行了仿真分析，研究了随机误差和系统误差对天线增益、副瓣电平等电性能指标的影响，并给出了有参考价值的结果数据和曲线。
　　提出了一种基于面板分块的加工误差对反射面天线电性能影响的计算方法。根据实际反射面天线面板独立加工制造的特点，把其分成不同环、同环不同块以及同环同块三部分。首先计算单块面板场强的均值，两两相乘得到不同块面板在远场的平均功率。其次定义了不同位置处加工误差的相关函数，在单块面板的面积内完成了同块面板平均功率的四重数值积分。最后将三部分的面板功率叠加，得到了整个天线的平均功率，并分析了不同加工精度及分块方式对反射面天线电性能的影响。
　　提出了一种基于B样条拟合与Moran’s I空间统计分析的组合来诊断反射面天线表面误差的方法。首先根据反射面天线为半封闭曲面的特点，确定了反射面的参数方向以及参数化方法，然后用u, v两个方向的B样条曲线来拟合反射面天线的表面，建立起该确定性曲面的回归模型。其次基于Moran’s I的空间统计方法对该回归模型的残差进行空间独立性分析，分离出随机误差和系统误差。最后，以某3.7m反射面天线为研究对象验证了该方法的实用性。
　　研究了结构误差导致的单元极化差异对阵列天线极化特性的影响。以平面阵列天线为研究对象，考虑阵面变形后振子单元位置的偏移和指向的偏转，得到各单元的局部坐标系。通过三次坐标转换建立全局到任意局部坐标系变换的统一框架，以此为基础计算每个单元的全局极化方向图，进而利用远场叠加原理得到了天线阵的远场极化方向图。以某9?5元面阵为例，仿真得出了相关数据和曲线，可为阵列天线的结构设计提供相应的指导。
　　基于机电耦合理论研究了对数周期天线结构变形对其电性能的影响。基于对数周期天线电性能计算方法与结构变形分析，考虑变形后各振子单元激励电流、位置偏移及指向偏转的变化，建立了初步的机电耦合模型。基于此模型，研制了集结构、电磁于一体的对数周期天线机电集成分析软件平台，并应用于某4元扇形阵列。

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符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.2 微波天线的发展历程简述

1.3微波天线机电耦合问题的概述

1.4反射面天线机电耦合的关键问题及研究现状

1.5 阵列天线机电耦合的关键问题及研究现状

1.6本文的主要工作

第二章 随机与系统误差共同存方向图在时反射面天线的平均功率

2.2 随机与系统误差造成的口径场相位误差计算

2.3 计及随机与系统误差时反射面天线的平均功率方向图模型

2.4 仿真结果与分析

2.5本章小结

第三章 基于面板分块的反射面加工误差对电性能的影响

3.2 基于面板分块的加工误差对平均功率方向图影响的计算方法

3.3 仿真结果与分析

3.4本章小结

第四章 影响反射面天线电性能的表面误差诊断方法

4.2 反射面表面的误差分解

4.3残差的空间统计分析

4.4 应用案例：某3.7m天线表面误差的分解

4.5本章小结

第五章 结构误差对阵列天线极化特性的影响

5.2 结构误差对极化特性影响的数学建模

5.3 仿真结果与分析

5.4本章小结

第六章 结构变形对对数周期天线电性能的影响

6.2对数周期天线的结构特性与工作原理

6.3结构变形对电性能影响的分析

6.4 对数周期扇形阵列天线结构与电性能综合分析软件的开发

6.5 本章小结

第七章 回顾与展望

7.2展望

参考文献

致谢

作者简介

附录A 3.7m天线测量数据