天线结构位移场与电磁场耦合建模及分析研究

摘要

电子装备作为机电结合的系统,其机电耦合问题已成为制约电子装备性能提高并影响下一代装备研制的一个瓶颈。本文在多个国家重点项目的支持下,以电子装备中典型案例-反射面天线和平板裂缝天线为研究对象,针对其在分析与设计过程中,存在的机械结构位移场与电磁场的场耦合问题进行了深入研究与探索,主要内容包括:
　　 (1)针对反射面天线机电场耦合问题,综合考虑结构位移场引起的系统误差,以及制造和装配精度带来的随机误差,针对影响电磁场边界的主反射面变形、馈源位置和指向误差等主要误差,确定其与天线远场方向图的影响关系,建立反射面天线结构位移场与电磁场的场耦合理论模型。针对反射面天线结构和电磁网格不匹配的问题,采用结构和电磁网格矩阵转换的方法进行场耦合模型求解。经3.7米Ku频段卡塞格伦天线变形实验,验证了场耦合理论模型的正确性。
　　 (2)为降低反射面天线结构变形对电性能影响,提出一种基于机电场耦合理论模型的馈源调整方法。在天线结构设计变量不变的情况下,构建以馈源位置和指向为设计变量,以天线电性能为目标函数的优化设计数学模型,弥补机电分离时馈源调整方法的不足。与最佳吻合面的馈源调整方法相比,可有效改善天线电性能。相关结论可为工程实践提供参考。
　　 (3)针对平板裂缝天线机电场耦合问题,综合考虑系统误差和随机误差,从天线阵面平面度入手,针对影响电磁场边界的辐射单元(辐射缝)位置偏移、指向偏转,以及结构变形引起的缝电压幅相误差,确定其与天线远场方向图的影响关系,建立平板裂缝天线结构位移场与电磁场的场耦合理论模型。给出场耦合模型的顺序求解方法,并重点说明缝电压误差的计算方法。分别经Ku频段弹载和X频段机载平板裂缝天线的实物实验,验证了场耦合理论模型的正确性。
　　 (4)就随机振动对机载雷达天线电性能的影响问题进行了研究。首先利用随机振动环境下天线结构响应的位移协方差矩阵,提出天线结构变形的随机样本生成方法,结合平板裂缝天线机电场耦合理论模型分析随机振动对天线电性能的影响。其次,根据天线结构响应的位移和应力分布信息,确定出天线结构的薄弱环节,提出结构改进方案,并分析随机振动对改进模型电性能的影响。数值结果表明改进模型可有效降低增益损失和指向误差,可为机载雷达天线工程设计人员提供参考。
　　 (5)针对平板裂缝天线焊接后存在的结构变形对电性能影响问题,应用有限元方法和生死单元技术,对天线热加工过程进行数值模拟,分析材料物性参数和温度曲线与焊接后结构残余应力和变形的影响关系,并结合机电场耦合理论模型分析焊接变形对天线电性能的影响。着重讨论温度曲线与焊接变形及其电性能的影响关系,提出了焊接温度曲线的改进方案,降低焊接后的结构残余应力和变形,改善天线电性能。相关结论可为工程实践提供参考。